Оценка технических и экономических аспектов использования цементов типа CEM III в производстве бетона

Исследователи из компании Adana Cimento, Турция, осуществили всестороннее исследование сравнительной прочности различных видов бетона, изготовленного из стандартного портландцемента (СЕМ I), в сравнении с бетоном из цементов (CEM III) на основе гранулированного доменного шлака (GGBFS). Результаты этого исследования представлены в настоящей статье. Главный вывод состоит в том, что бетон, изготовленный из цемента с 65% весовым содержанием GGBFS, обладает большей прочностью, сниженной стоимостью единицы продукции, а также оказывает более слабое воздействие на окружающую среду по сравнению с бетоном на основе цемента CEM I.

Цементы, содержащие гранулированный доменный шлак (GGBFS), обычно производятся на цементных заводах, которые располагаются поблизости от сталелитейных участков. Цементы такого сорта широко распространены по всему миру, они значительно повышают срок службы бетона, обладая высокой прочностью и водонепроницаемостью. В настоящей статье приводится общий обзор и сравнение результатов испытаний, которые были проведены на бетоне с содержанием цемента, изготовленного в Adana Cement Co.

Было осуществлено сравнение бетона на основе цемента CEM III/A 42.5 N с бетоном, изготовленным при помощи цемента CEM II/B-S 42.5 R и CEM I 42.5 R. В частности, было проведено сравнение прочности на сжатие в течение 2, 7 и 28 дней, водопотребления, проницаемости для хлорида и воды. К тому же, аналогичные испытания были проведены с разжиженной самоуплотняющейся смесью (SCC), изготовленной с применением этих же видов цемента.
 
Согласно результатам, бетон на основе цемента CEM III/A 42.5 N обладает прочностью на 28 дней, аналогичной двум другим видам цемента. Также он обладает более высокой устойчивостью против воды и хлорида, более экономичен благодаря своей ударной прочности. Поскольку данный бетон содержит меньше клинкера, то его можно назвать «благоприятным для окружающей среды».

Введение

Добавление GGBFS в цемент или бетон улучшает следующие свойства бетона, имеющие отношение к его прочности (объяснение этому дается в различных публикациях1-4):

Сульфатостойкость: Цементы с добавлением GGBFS содержат меньше глинозема, Са(ОН)2 и С3А по сравнению с обычным портландцементом, а также характеризуются пониженным водопотреблением. В результате создается цемент, менее проходимый для ионов сульфата. К тому же создаются условия для предотвращения формирования эттрингита. При содержании шлака 65% или более цемент приближается по своим свойствам к сульфатостойкому цементу.

Устойчивость против хлоридов: Проницаемость бетона снижается благодаря мелким частицам GGBFS и продуктам их гидратации в цементной смеси. Подобные смеси также поглощают больше ионов хлорида. Было установлено, что по сравнению со смесями обычного портландцемента смеси шлакоцемента обладают в 100 раз большей устойчивостью против ионов калия.

Взаимодействие щелочей цемента с кремнеземом заполнителя в бетоне: При содержании в цементе как минимум 50% GGBFS эффективно ослабляется расширение взаимодействия щелочей цемента с кремнеземом.

Кислотостойкость: Установлено, что бетон, содержащий GGBFS, более устойчив против воздействия разбавленных кислот по сравнению с обычным портландцементом или сульфатостойким цементом.

Устойчивость против морской воды: Бетон, находящийся в морской воде, подвергается воздействию сульфатов и хлоридов. Были проведены полевые исследования в Бельгии, Германии, Норвегии, Англии и Франции, в ходе которых изучалась эффективность бетонных конструкций на основе различных видов цемента, помещенных в морскую воду. Бетон, изготовленный с применением шлакоцементов (25-35% GGBFS), был меньше склонен к растрескиванию и коррозии арматуры. Шлакоцемент содержащий более 50% GGBFS, показал еще более высокие результаты.

Коррозия арматуры: Высокощелочные цементные смеси защищают внутренние стальные стержни от коррозии. В результате карбонизации или проникновения ионов хлорида в бетон может начаться коррозия. Цементные смеси на основе шлакоцементов могут эффективно препятствовать проникновению ионов хлорида и продлить полезный срок службы бетонных конструкций.

Поведение при тепловых нагрузках и растрескивание: Гидратация цемента представляет собой экзотермический процесс. Вырабатываемое тепло может стать источником температурных градиентов и растрескивания в массивных конструкциях, а также может нанести вред жирным бетонным смесям, быстро отверждающимся смесям, а также бетонным смесям для жаркой погоды. В шлакоцементах вырабатывающие тепло компоненты клинкера частично замещаются GGBFS, и происходит эффективное снижение уровня тепла, выработанного в результате гидратации. Таким образом, вышеуказанные негативные условия, ухудшающие прочность бетона, не возникают.

В Турции расположены три крупных сталелитейных завода, они находятся в Эрдемире, Кардемире и Исдемире. Общий объем вырабатываемого на них шлака в настоящее время составляет около 1.5 мт в год. Исдермир, расположенный недалеко от заводов компании Adana Cement, сегодня производит 630.000 тонн гранулированного шлака в год. Ожидается, что в 2008 году уровень производства повысится до 900.000 тонн. Расположенный в Исдемире завод компании Adana Cement использует шлак, полученный от местного сталелитейного завода для производства шлакоцемента CEM II/B-S 42.5R и CEM III/A 42.5R согласно турецкому стандарту TS EN 197-1 для производства цемента. В настоящий момент в Турции производится около 17 мт шлакосодержащего цемента (CEM II, III и IV) в год.

Компания OYAK Group Adana Cement Co инициировала всесторонние исследования совместно с Турецкой ассоциацией производителей цемента (TCMA) с целью подтверждения некоторых из вышеуказанных технических преимуществ шлакоцемента при помощи местных материалов, а также для того, чтобы произвести сравнительные экономические оценки. В настоящем документе представлены некоторые из результатов этого исследования.

Экспериментальные работы: Материалы

Цемент

Во время исследования использовался цемент производства компании Adana Cement Co. В том числе: портландцемент CEM I 42.5 R, портландшлакоцемент CEM II/B-S 42.5 R (содержащий около 33.5% минеральной примеси) и цемент на основе доменного шлака CEM III/A 42.5 N (содержащий около 55.5% минеральной примеси). Другие свойства этих видов цемента представлены в Таблице 1.

Таблица 1: Свойства цемента