Заменители цемента — это материалы, которые могут быть в некоторой степени заменены цементом для улучшения различных свойств, таких как прочность и долговечность. Использование заменителей цемента, как правило, поощряется из-за экологических преимуществ, получаемых за счет их отвода из потока отходов, снижения энергозатрат, необходимых для их повторного использования (по сравнению с производством цемента), и экономии сырья, такого как диоксид кремния, глинозем и оксид железа. Производство портландцемента не только дорого и энергоемко, но и приводит к большим выбросам углерода. При производстве одной тонны портландцемента в атмосферу выбрасывается примерно одна тонна CO2.
Мировое производство цемента в последние годы росло очень быстрыми темпами, и после ископаемого топлива и изменений в землепользовании это третий по величине источник антропогенных выбросов двуокиси углерода. На мировую цементную промышленность приходится около 6% всех антропогенных выбросов CO2 и, следовательно, около 4% антропогенного глобального потепления. Торговля выбросами CO2, вероятно, будет иметь огромное значение для отрасли в будущем. Таким образом, альтернативные вяжущие материалы будут в центре внимания промышленности.
Преимущества альтернативных вяжущих материалов
Альтернативные вяжущие материалы — это мелкодисперсные материалы, которые заменяют или дополняют использование портландцемента. Их использование снижает стоимость и/или улучшает одно или более технических свойств бетона. К таким материалам относятся зола-унос, измельченный гранулированный доменный шлак, конденсированный дым кремнезема, известняковая пыль, цементная пыль печей обжига и натуральные или изготовленные пуццоланы.
Использование этих вяжущих материалов в смесевых цементах дает такие преимущества, как увеличение производительности цементного завода, снижение расхода топлива, снижение выбросов парниковых газов, контроль реакционной способности щелочи и кремнезема или повышение долговечности. Эти преимущества зависят от типа альтернативного цементирующего материала.
Ниже обсуждаются некоторые альтернативные цементирующие материалы.
Летучая зола
Зола-унос — это мелкий, легкий стекловидный остаток, образующийся при сжигании молотого или порошкообразного угля. Подрядчики считают, что зола-унос улучшает текучесть цемента в шлангах насоса и делает его более пригодным для ручной отделки. В его состав входят значительные количества диоксида кремния и оксида кальция, которые являются натуральными ингредиентами угленосных пород. Его смешивали с цементом при строительстве плотины Гувера в 1930-х годах, и только в 1980-х годах его использование в строительстве стало обычным делом. Существует два типа летучей золы:
- Зола-унос класса С образуется при сжигании более молодого бурого угля или полубитуминозного угля, содержит значительно больше извести и прочнее, чем ее альтернатива, зола-унос класса F. Он предпочтителен для проектов экологически чистого строительства и является стандартным типом летучей золы, используемой в жилых помещениях. Инспекторы могут идентифицировать этот тип заменителя цемента по его желтовато-коричневому или иногда оранжевому цвету.
- Зола-унос класса F образуется при сжигании более твердого, старого антрацита и битуминозного угля. Избыток углерода, о котором может свидетельствовать цементная смесь темного цвета, означает, что уголь не был тщательно прожжен, что может снизить стойкость бетона к замерзанию и оттаиванию.
Молотый гранулированный доменный шлак (GGBS)
GGBS является побочным продуктом черной металлургии. В доменной печи шлак всплывает на поверхность чугуна и удаляется. ГГБС получают путем гашения расплавленного шлака в воде с последующим измельчением его в мелкий порошок. Химически он аналогичен портландцементу (ПК), но менее реакционноспособен.
При смешивании с водой он гидратируется аналогично портландцементу. Он всегда используется в сочетании с портландцементом, обычно в соотношении 60% ПК и 40% GGBS – 30% ПК и 70% GGBS, в зависимости от конечной функции цемента. Очень редко его можно найти в соотношении 90% GGBS и 10% Pc.
Бетон, изготовленный из цемента GGBS, схватывается медленнее, чем бетон, изготовленный из обычного портландцемента, в зависимости от количества GGBS в цементной смеси, но также продолжает набирать прочность в течение более длительного периода, что приводит к повышению общей долговечности и продолжительности жизни.
Дым кремнезема
Дым кремнезема является побочным продуктом производства кремния. Это чрезвычайно мелкий порошок (такой же мелкий, как дым), и поэтому он используется в производстве бетона либо в уплотненной, либо в суспензионной форме. По экономическим соображениям использование диоксида кремния, как правило, ограничено высокопрочными бетонами или бетонами в агрессивных условиях окружающей среды. Наиболее часто используемая доля диоксида кремния в смесях, производимых в Великобритании, составляет 10% по массе от общего содержания вяжущего.
Шлак
Шлак является побочным продуктом производства чугуна и стали в доменных печах. Преимущества частичной замены цемента шлаком заключаются в повышении долговечности, снижении затрат на жизненный цикл, снижении затрат на техническое обслуживание и большей экологичности бетона. Расплавленный шлак охлаждают в воде, а затем измельчают в мелкий порошок. Шлак используется в очень высоких концентрациях, часто занимая более половины всего состава цемента. Энергия, необходимая для измельчения и отправки шлака, делает его менее энергоэффективным, чем зола-унос, но лучше, чем портландцемент. Шлакобетон отражает свет и имеет более светлый цвет, чем зола-унос и пары кремнезема, и первоначально он может иметь сине-зеленую окраску, которая обычно исчезает в течение недели. Известное как “озеленение”, это изменение цвета не исчезнет, если шлак используется в бассейнах или других влажных помещениях.
Мелкие частицы известняка
Известняковая крошка может быть использована в качестве компонента цемента для производства портландцементного цемента. BS 7979 [12] предоставляет дополнительную информацию о спецификации известняковой крошки для использования с портландцементом. Наиболее часто используемые пропорции известняковой мелочи в производимых в Великобритании смесях составляют 6-10% по массе от общего содержания вяжущего. Известняк действует как дополнительный цементирующий материал, когда его тонко измельчают вместе с клинкером в портландцемент. Качественный известняк должен содержать не менее 75% карбоната кальция по массе, содержание глины менее 1,2% по массе и содержание органических веществ менее 0,2% по массе. Использование известняка в портландцементе имеет ряд преимуществ, таких как снижение энергопотребления и выбросов CO2. Дополнительная экономия достигается при наличии известняка в непосредственной близости от участка. В портландцементах с высоким содержанием C3A (трехкальциевого алюмината) карбонат известняка вступает в реакцию с C3A во время гидратации и может увеличить прирост прочности и устойчивость к сульфатному воздействию.
Гипсовая штукатурка
Гипс не является редким минералом, и для превращения его в очень полезный вяжущий материал, известный как полугидрат или парижская штукатурка, требуется всего лишь низкая температура около 150°C. Сама по себе парижская штукатурка очень быстро схватывается при смешивании с водой. Чтобы дать время для его нанесения, в штукатурку добавляют около 5% извести и 0,8% замедляющего материала (такого как кератиноподобные клееподобные экстракты из вареных рыбьих костей или копыт и рогов животных). Отсталая штукатурка Paris может использоваться сама по себе или смешиваться с тремя частями чистого острого песка. Для повышения прочности и водостойкости можно добавить гашеную известь. Гипсовые штукатурки могут быть армированы различными волокнистыми материалами от тростника до рубленого стекловолокна. Гипсовая штукатурка не совсем устойчива к влажным условиям и поэтому обычно используется внутри помещений, за исключением более сухих стран Средиземноморья и Ближнего Востока, где она традиционно использовалась в качестве внешней штукатурки
Пыль из цементных печей
В Соединенных Штатах ежегодно образуется около 14 миллионов тонн цементной пыли, из которых 9 миллионов тонн повторно используются в производстве клинкера, а 5 миллионов тонн выбрасываются (Detwiler et al., 1996). Пыль от обжига цемента варьируется в зависимости от сырья, клинкера и типа операции; однако она состоит из непрореагировавшего сырья, частично прокаленного сырья и клинкерной пыли, свободной извести, сульфатных солей щелочи и других летучих соединений. После удаления щелочей цементную пыль можно смешивать с клинкером для получения приемлемого цемента, а цементную пыль можно добавлять в портландцемент с другими материалами, такими как шлак и зола-унос.
Пуццоланы
Пуццоланы — это материалы, которые, хотя сами по себе не являются цементирующими, в присутствии воды химически соединяются с известью, образуя прочный цементирующий материал. К ним относятся:
- Вулканический пепел
- Зола-унос для электростанций (обычно известная как pfa)
- Обожженные глины
- Зола от некоторых сгоревших растительных материалов
- Кремнистые земли (такие как диатомит)
Материалы, которые еще не находятся в виде мелкого порошка, должны быть измельчены, а некоторые требуют прокаливания при температуре около 600-750 ° C для оптимизации их пуццолановых свойств. Пуццоланы можно смешивать с известью и /или портландцементом, что позволяет улучшить качество и снизить стоимость бетонов, изготовленных из обоих материалов. В некоторых странах (например, в Индии и Кении) пуццоланы смешивают с портландцементом и продают в виде цементной смеси, которая во многих отношениях аналогична портландцементу. В других странах (например, на Кубе) смеси извести /пуццолана/портландцемента продаются в качестве альтернативы портландцементу. Известково-пуццолановый цемент сам по себе может стать отличным вяжущим материалом для малоэтажного строительства или массового бетона, и в некоторых странах (например, в Индонезии) его до сих пор широко производят. Пуццоланы также можно смешивать с известью и /или портландцементом на строительной площадке, но необходимо следить за тем, чтобы пуццолана была неизменно качественной и материалы тщательно перемешивались
Альтернативные виды топлива
Использование альтернативных видов топлива не только отводит отходы со свалок и сокращает потребность в ископаемом топливе, но и может снизить потребность в сырье; например, использование отработанных шин обеспечивает топливо и сводит к минимуму необходимость добавления оксида железа в цемент из-за содержания в нем проволоки.
Важно отметить, что ECO2 бетона не следует рассматривать или указывать в отрыве от других факторов устойчивости, таких как увеличение прочности.
Заключение
Портландцемент потребляет огромное количество энергии и выделяет CO2 в процессе. И поскольку он производится в таких гигантских количествах, строительная отрасль сталкивается с растущим давлением в поисках альтернативных дополнительных вяжущих материалов для замены портландцемента в бетоне. Естественно, что за последнее десятилетие ускорился поиск альтернативных дополнительных вяжущих материалов для замены портландцемента. Очевидно, что существует большое количество потенциальных заменителей OPC, разрабатываемых начинающими компаниями, университетами и признанными производителями цемента. T
Альтернативные вяжущие материалы могут непосредственно заменять часть портландцемента. Эти материалы можно использовать отдельно или смешивать с другими альтернативными вяжущими материалами для получения цемента или бетона со свойствами, отличными от свойств, полученных в результате использования портландцемента. Использование альтернативных материалов влияет на такие свойства цемента и бетона, как обрабатываемость, гидратация, прочность на сжатие и долговечность.