Доменный гранулированный шлак ( GGBS или GGBFS ) получают путем закалки расплавленного чугунного шлака (побочного продукта производства железа и стали ) из доменной печи в воде или паре для получения стекловидного гранулированного продукта, который затем высушивают и измельчают в мелкий порошок. Доменный гранулированный шлак представляет собой латентное гидравлическое связующее вещество, образующее гидраты силиката кальция (CSH) после контакта с водой. Это соединение, повышающее прочность и долговечность бетона . Он является компонентом металлургического цемента ( CEM III в европейском стандарте EN 197 ). Его главным преимуществом является медленное выделение тепла гидратации , что позволяет ограничивать повышение температуры в массивных бетонных компонентах и конструкциях во время схватывания цемента и отверждения бетона или для заливки бетона жарким летом.
Химический состав шлака значительно варьируется в зависимости от состава сырья в процессе производства чугуна . Силикатные и алюминатные примеси из руды и кокса объединяются в доменной печи с флюсом , который снижает вязкость шлака. В случае производства чугуна флюс в основном состоит из смеси известняка и форстерита или в некоторых случаях доломита . В доменной печи шлак плавает на поверхности чугуна и декантируется для разделения. Медленное охлаждение шлаковых расплавов приводит к образованию нереакционноспособного кристаллического материала, состоящего из совокупности силикатов Ca-Al-Mg. Для получения хорошей реакционной способности или гидравлическости шлаковый расплав необходимо быстро охладить или закалить ниже 800 °C, чтобы предотвратить кристаллизацию мервинита и мелилита . Для охлаждения и фрагментации шлака можно применить процесс грануляции, при котором расплавленный шлак подвергается воздействию струй воды или воздуха под давлением. В качестве альтернативы, в процессе грануляции жидкий шлак частично охлаждается водой и затем выбрасывается в воздух вращающимся барабаном. Для получения подходящей реактивности полученные фрагменты измельчаются до такой же тонкости, как портландцемент .
Основными компонентами доменного шлака являются CaO (30-50%), SiO2 ( 28-38 %), Al2O3 ( 8-24%), MnO и MgO (1-18%). В целом увеличение содержания CaO в шлаке приводит к повышению основности шлака и увеличению прочности на сжатие . Содержание MgO и Al2O3 показывает ту же тенденцию до соответственно 10-12% и 14%, за пределами которых дальнейшее улучшение невозможно. Несколько композиционных соотношений или так называемых гидравлических индексов использовались для корреляции состава шлака с гидравлической активностью ; последняя в основном выражается как прочность на сжатие связующего. Содержание стекла в шлаках, подходящих для смешивания с портландцементом, обычно колеблется от 90 до 100% и зависит от метода охлаждения и температуры, при которой начинается охлаждение. Структура закаленного стекла во многом зависит от пропорций элементов, образующих сетку, таких как Si и Al, по сравнению с модификаторами сетки, такими как Ca, Mg и в меньшей степени Al. Увеличение количества модификаторов сетки приводит к более высоким степеням деполимеризации сетки и реакционной способности.
Обычные кристаллические составляющие доменных шлаков — мервинит и мелилит. Другие второстепенные компоненты, которые могут образовываться в процессе прогрессивной кристаллизации, — это белит , монтичеллит , ранкинит, волластонит и форстерит . Небольшие количества восстановленной серы обычно встречаются в виде олдхамита . [1]
GGBS используется для создания прочных бетонных конструкций в сочетании с обычным портландцементом и/или другими пуццолановыми материалами. GGBS широко используется в Европе и все чаще в Соединенных Штатах и Азии (особенно в Японии и Сингапуре ) из-за его превосходства в прочности бетона, продлевая срок службы зданий. [ необходима цитата ]
Два основных применения GGBS — это производство шлакопортландцемента улучшенного качества, а именно шлакопортландцемента (PBFC) и шлакопортландцемента с высоким содержанием шлака (HSBFC), при этом содержание GGBS обычно составляет от 30 до 70%, а также производство готового или изготавливаемого на месте долговечного бетона.
Бетон, изготовленный с использованием цемента GGBS, схватывается медленнее, чем бетон, изготовленный с использованием обычного портландцемента, в зависимости от количества GGBS в цементном материале, но также продолжает набирать прочность в течение более длительного периода в производственных условиях. Это приводит к более низкой теплоте гидратации и более низкому повышению температуры, а также облегчает предотвращение холодных швов , но также может повлиять на графики строительства, где требуется быстрое схватывание.
Использование GGBS значительно снижает риск повреждений, вызванных реакцией щелочи и кремния (ASR), обеспечивает более высокую устойчивость к проникновению хлоридов , что снижает риск коррозии арматуры, а также обеспечивает более высокую устойчивость к воздействию сульфатов и других химикатов. [2]
Цемент GGBS можно добавлять в бетон на бетоносмесительном заводе производителя бетона вместе с портландцементом, заполнителями и водой. Нормальные соотношения заполнителей и воды к цементирующему материалу в смеси остаются неизменными. GGBS используется в качестве прямой замены портландцемента в соотношении один к одному по весу. Уровни замены для GGBS варьируются от 30% до 85%. Обычно в большинстве случаев используется от 40% до 50%.
Использование GGBS в дополнение к портландцементу в бетоне в Европе регулируется стандартом по бетону EN 206:2013. Этот стандарт устанавливает две категории добавок к бетону наряду с обычным портландцементом: почти инертные добавки (тип I) и пуццолановые или скрытые гидравлические добавки (тип II). Цемент GGBS относится к последней категории. Поскольку цемент GGBS немного дешевле портландцемента, бетон, изготовленный с цементом GGBS, будет стоить столько же, сколько и бетон, изготовленный с обычным портландцементом.
Используется частично в соответствии с соотношением компонентов.
Цемент GGBS обычно указывается в бетоне для обеспечения защиты как от сульфатной, так и от хлоридной атаки. GGBS теперь эффективно заменил сульфатостойкий портландцемент (SRPC) на рынке по сульфатостойкости благодаря его превосходным характеристикам и значительно сниженной стоимости по сравнению с SRPC. Большинство проектов в доках Дублина , включая Spencer Dock , используют GGBS в подземном бетоне для сульфатостойкости.
Bulk Electrical Resistivity — это метод испытаний, который позволяет измерять удельное сопротивление образцов бетона. (ASTM 1876–19) Более высокое удельное электрическое сопротивление может быть показателем более высокого удельного сопротивления переноса ионов и, следовательно, более высокой долговечности. Исследователи показали, что путем замены до 50% GGBS в бетоне некоторые свойства долговечности могут быть значительно улучшены. [2]
Для защиты от воздействия хлоридов GGBS используется в бетоне на уровне замены 50%. Случаи воздействия хлоридов происходят в железобетоне в морской среде и на дорожных мостах, где бетон подвергается воздействию брызг от солей для борьбы с обледенением дорог. В большинстве проектов NRA в Ирландии GGBS теперь указывается в конструкционном бетоне для опор мостов и устоев для защиты от воздействия хлоридов. Использование GGBS в таких случаях увеличит срок службы конструкции до 50%, если бы использовался только портландцемент, и исключит необходимость в более дорогостоящей арматуре из нержавеющей стали .
GGBS также обычно используется для ограничения повышения температуры при заливке большого количества бетона. Более постепенная гидратация цемента GGBS генерирует как более низкий температурный пик, так и меньшее общее тепло, чем портландцемент. Это снижает температурные градиенты в бетоне, что предотвращает возникновение микротрещин, которые могут ослабить бетон и снизить его долговечность, и было использовано для этой цели при строительстве туннеля Джека Линча в Корке .
В отличие от каменно-серого бетона, изготовленного с использованием портландцемента, почти белый цвет цемента GGBS позволяет архитекторам добиться более светлого цвета для открытой отделки фасадного бетона без дополнительных затрат. Для достижения более светлого цвета отделки GGBS обычно указывается при уровнях замены от 50% до 70%, хотя могут использоваться уровни до 85%. Цемент GGBS также обеспечивает более гладкую, более бездефектную поверхность благодаря тонкости частиц GGBS. Грязь не прилипает к бетону GGBS так же легко, как к бетону, изготовленному с использованием портландцемента, что снижает расходы на техническое обслуживание. Цемент GGBS предотвращает возникновение высолов , окрашивание бетонных поверхностей отложениями карбоната кальция . Благодаря гораздо более низкому содержанию извести и меньшей проницаемости GGBS эффективен в предотвращении высолов при использовании при уровнях замены от 50% до 60%.
Бетон, содержащий цемент GGBS, имеет более высокую предельную прочность, чем бетон, изготовленный с использованием портландцемента. Он имеет более высокую долю гидратов силиката кальция (CSH), повышающих прочность, чем бетон, изготовленный только с использованием портландцемента, и пониженное содержание свободной извести, которая не способствует прочности бетона. Бетон, изготовленный с использованием GGBS, продолжает набирать прочность с течением времени, и, как было показано, удваивает свою 28-дневную прочность за периоды от 10 до 12 лет. [ необходима цитата ]
Сообщается, что оптимальная дозировка молотого гранулированного доменного шлака (ГГШ) для замены в бетоне составляет 20–30% по массе, что обеспечивает более высокую прочность на сжатие по сравнению с бетоном, изготовленным только с использованием цемента. [2]
Поскольку GGBS является побочным продуктом процесса производства стали, его использование в бетоне признано LEED , а также Building Environmental Assessment Method (BEAM) Plus в Гонконге и т. д. как повышающее устойчивость проекта и, следовательно, добавляющее баллы к сертификации LEED и BEAM Plus. В этом отношении GGBS также может использоваться для надземной конструкции в дополнение к случаям, когда бетон контактирует с хлоридами и сульфатами — при условии, что более медленное время схватывания для заливки надземной конструкции оправдано.