Более чем 100-летний опыт производства шлакосодержащих цементов показал их бесспорную эффективность с позиций ресурсо- и энергосбережения не только для предприятий-изготовителей, но и для потребителей цементов.

Положительные свойства шлакопортландцемента известны: повышенная водо- и сульфатостойкость, жаростойкость, пониженная экзотермия, интенсивный рост прочности при повышенной температуре. Однако несмотря на накопленный опыт, отношение строителей к применению портландцементов с повышенным содержанием шлака (21–35 %) и шлакопортландцементов в бетоне – далеко не однозначное.

Наибольшее опасение вызывает возможное снижение прочности в раннем возрасте, замедленный темп роста прочности при нормальных и пониженных температурах.

Регулирование химико-минералогического состава клинкера, применение помола цемента в замкнутом цикле позволяет выйти на оптимальный уровень качества цемента. Однако при увеличении содержания шлака в цементе ранняя прочность бетона может существенно снижаться.

На рис. 1 представлены полученные нами данные об активности цемента при различном содержании в нем доменного шлака. Для исследований была использована смесь бездобавочного портландцемента Здолбуновского завода с доменным гранулированным шлаком Днепродзержинского комбината, который домалывали в лабораторной мельнице на протяжении 45 мин. При этом тонкость помола соответствовала остатку на сите 008 7…10 %.

Как видим, “разбавление” клинкера шлаком приводит к наиболее интенсивному снижению активности цемента в возрасте 2 и 7 сут., и это снижение почти пропорционально содержанию шлака в смеси. К возрасту 60 сут. активность цементов начинает сближаться.

Для бетона нормального твердения на цементах с повышенным содержанием доменного шлака часто возникает необходимость в дополнительных мероприятиях по повышению их ранней прочности. Наиболее распространенными способами такого повышения являются:

1. переход на цемент с меньшим содержанием минеральных добавок;
2. повышение марочной и – одновременно – ранней прочности бетона при повышении Ц/В путем
- увеличения расхода цемента;
- снижения водопотребности бетонной смеси при применении пластификаторов;
3. повышение ранней прочности (без существенного изменения марочной) при введении добавок-ускорителей.

Возможно также сочетание указанных способов.

Выбор определенного способа для конкретного производителя бетона целесообразно выполнять с учетом его технологической эффективности в конкретных условиях, определяемых классом бетона, его назначением, подвижностью бетонной смеси, особенностями заполнителей, возможностью применения химических добавок. Однако окончательное решение следует принимать главным образом с учетом себестоимости бетонной смеси.

Переход на цемент с меньшим содержанием минеральных добавок и увеличение его расхода – наиболее простые способы повышения ранней прочности бетона. Однако их эффективность прямо связана с ценами на цемент и их соотношением для различных типов. Увеличение абсолютного расхода цемента не только увеличивает стоимость бетона, но и повышает его усадку, тепловыделение. В таблице 1 приведены усредненные данные, которые показывают соотношение роста ранней прочности бетона и стоимости цемента в бетоне. Результаты получены для цементов Днепродзержинского и Криворожского заводов, входящих в состав ОАО “Кривой Рог Цемент”, где накоплен большой опыт производства цементов с повышенным содержанием шлака. Принятое соотношение цен на цемент также соответствует продукции указанных производителей.

Таблица 1.

Экономическая эффективность увеличения ранней прочности бетона при увеличении его расхода и переходе на другой тип цемента

Как видно из таблицы 1, переход на цемент с более низким содержанием шлака может быть экономически оправдан при небольшой разнице в цене цементов, существенно отличающихся по содержанию шлака. При увеличении цены бездобавочного цемента экономическая эффективность такого приема резко падает.

Одновременное повышение марочной и ранней прочности бетона путем уменьшения водосодержания бетонной смеси более целесообразно не только по экономическим, но и по технологическим соображением. Уменьшение расхода воды при введении пластифицирующих добавок при прочих равных условиях снижает капиллярную пористость бетона, тем самым повышая его непроницаемость, морозостойкость. В таблице 2 и на рис. 2 приведена прочность бетонных смесей одинаковой подвижности с равным расходом цемента без добавки и с добавкой суперпластификатора С-3 в количестве 0,7 % от массы цемента. Применение добавки при постоянном расходе цемента и одинаковой подвижности бетонной смеси позволило увеличить марочную прочность примерно на один класс, а прочность в возрасте 2 сут. выросла на 27–51 %.

Таблица 2

Повышение прочности бетона при введении суперпластификатора С-3

В таблице 3 приведена сравнительная эффективность других пластифицирующих добавок в случае применения их для снижения расхода воды при сохранении подвижности смеси. Применение пластификаторов и суперпластификатора С-3 экономически более целесообразно, чем увеличение расхода цемента. Эффективность применения суперпластификаторов четвертого поколения для литых бетонных смесей сопоставима с переходом на бездобавочный цемент и одновременным увеличением его расхода до 30–40 %. Однако с технологической точки зрения применение новейших суперпластификаторов предпочтительнее, тем более, что цена такой добавки как Мареi SP3, например, в условиях Украины вполне приемлема (1,6–1,7 $/л).

Известным приемом повышения ранней прочности бетона является введение ускорителей твердения, в первую очередь электролитов. В Украине сегодня для модификации свойств бетонов и бетонных смесей широко используется система добавок “Релаксол”, основанная на техногенной смеси роданида и тиосульфата натрия. На рис. 3 приведена прочность бетонов умеренно подвижной консистенции одинакового состава без добавки и с добавкой “Релаксол-Лидер” в количестве 1 % от массы цемента.

Таблица 3

Сравнительная эффективность добавок-пластификаторов ¹⁾

Примечания: ¹⁾ - при применении как водоредуцирующих для снижения расхода воды при неизменном расходе цемента и равной подвижности бетонной смеси;
²⁾ - в пересчете на сухое вещество.

Как следует из диаграммы, повышение ранней прочности бетона (2 сут.) составило от 29 до 68 %. Аналогичные результаты получены для литых бетонных смесей при расходе добавки 1,5 % (рис. 4). Следует отметить, что во всех случаях наиболее высокие результаты были получены для ШПЦ Днепродзержинского завода, что, по-видимому, можно объяснить некоторой активизацией шлаковых стекол тиосульфатом натрия, которая более существенно проявляется в высокоалюминатных цементах.

С целью повышения уровня активации шлака были также рассмотрены комплексные добавки состава “Релаксол”+ сульфат (щелочь), и проведено сравнительное их исследование в бетонах на цементах ПЦ ¶¶/Б и ШПЦ. Также рассматривалось действие традиционных добавок–электролитов (нитрат кальция, сульфат натрия). Результаты приведены в таблице 4. Наиболее эффективной оказалась комплексная добавка “Релаксол” (1,5 %) + сульфат натрия (1 %). Следует отметить, что повышение расхода “Релаксола” до 2,5 % незначительно увеличивает ускоряющий эффект, поэтому оптимальным следует считать дозировку 1,5 %. Некоторый синергетический эффект имеет также смесь добавки “Релаксол” и соды.

Таблица 4.

Результаты сравнительного исследования добавок-ускорителей (цемент ПЦ ¶¶/Б Днепродзержинского завода)

* - увеличение прочности по сравнению с бетоном без добавки

Отдельно были рассмотрены композиции ускоритель (Релаксол) + суперпластификатор, реализованные в добавках “Реламикс”, “Релаксол-супер”. В наших опытах использовали смесь добавок “Релаксол-Лидер” (1,5 %) и С-3 (0,7 %), а также “Релаксол-Супер” (2 %). Результаты (при постоянном расходе цемента) приведены в таблице 5. Данный прием оказался достаточно эффективен, причем возможно использование как готовой добавки (“Релаксол-Супер”), так и добавки, полученной смешиванием отдельных компонентов при изготовлении бетона.

Таблица 5.

Результаты исследования комплексной добавки “ускоритель твердения + суперпластификатор” (шлакопортландцемент, Ц = 430 кг/м3)

* - увеличение прочности по сравнению с бетоном без добавок

В таблице 6 выполнено экономическое сравнение применения различных добавок-ускорителей, а в таблице 7 – сравнение различных способов повышения ранней прочности бетона на шлакопортландцементе (содержание доменного гранулированного шлака до 50 %).

Таблица 6

Сравнительная эффективность добавок-ускорителей

Таблица 7

Сравнительная эффективность различных способов повышения ранней прочности бетона на шлакопортландцементе

Таким образом, при существующем сегодня в Украине соотношении цен на цемент и химические добавки известные способы повышения ранней прочности бетона на шлакосодержащих цементах можно расположить в следующей последовательности по экономической эффективности:

- введение ускорителей и комплексных добавок;
- введение суперпластификаторов;
- переход на ПЦ-¶;
- увеличение расхода цемента (и переход на другой тип).

Очевидно, что в ряде случаев (например, для литых смесей) следует применять несколько способов одновременно.

В каждом конкретном регионе соотношение цен на цементы различных типов и химические добавки в бетон может существенно отличаться от приведенных выше. Поэтому результаты выполненных нами исследований следует рассматривать как ориентир, который позволит производителям бетона найти свой оптимальный вариант в дилемме “качество – затраты”, если речь идет о проблеме ранней прочности бетона.

С анализом российского рынка металлургических и топливных шлаков и с анализом оборудования для производства цемента на основе шлаков Вы можете познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков:

«Рынок шлаков в России»
«Анализ оборудования для производства шлакощелочного вяжущего»
«Бизнес-план организации шлакощелочного вяжущего и пенобетона на его основе»

Л. И. Дворкин; О. Л. Дворкин, докт. техн. наук, профессора,
Ю. В. Гарницкий, канд. техн. наук, доцент (Национальный университет водного хозяйства и природопользования, г. Ровно, Украина)

www.newchemistry.ru