Пресса о нас

Вяжущие вещества на основе шлаков электросталеплавильного производства

АРТАМОНОВА А.В., ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», аспирант

 

В настоящее время в условиях сокращения запасов разведанного природного сырья, роста цен на энергоносители, а также усиливающейся антропогенной нагрузки на окружающую среду, особое значение приобретает разработка прогрессивных малоэнергоемких технологий производства строительных материалов. К ним относится производство строительных материалов и изделий на основе бесклинкерных вяжущих веществ с использованием отходов промышленности. Наибольший интерес с точки зрения решения перечисленных проблем представляют отвальные металлургические шлаки, в том числе подверженные силикатному распаду, которые в силу недостаточной изученности их свойств, наличия в них металла и неустойчивости структуры не находят широкого применения в строительстве.

Из литературных источников [1, 2] известно, что подобные шлаки, несмотря на химический состав, близкий к составу портландцемента, не обладают вяжущими свойствами, так как имеющиеся в его составе фазы С₂S находятся в закристаллизованном состоянии и при взаимодействии с водой не гидратируются. Без дополнительного повышения гидравлической активности получение из них вяжущего невозможно, поэтому такие шлаки практически не используются для производства вяжущих веществ.

При производстве шлаковых вяжущих применимы следующие варианты активации процессов твердения: тепловой – за счет пропаривания или автоклавной обработки; химический – за счет введения химических добавок; механический - за счет тонкого измельчения компонентов и повышения дефектности их структуры.

Одним из эффективных способов активации шлаков является применение эффективных измельчителей центробежно-ударного действия, в частности измельчительных комплексов КИ, изготавливаемых ЗАО «Урал-Омега», применение которых позволяет получить частицы изометрической формы, не склонные к агрегации. Измельчающие воздействия при центробежно-ударном помоле приводят не только к интенсивному измельчению шлака, но и изменению его физико-химического состояния и структуры, то есть имеет место эффект механоактивации, что сопровождается увеличением его потенциальной энергии вследствие увеличения поверхностной энергии и числа дефектов структуры.

В качестве исходных сырьевых материалов для получения шлаковых вяжущих в работе использовались шлаки электросталеплавильного производства: стабилизированный по клинкерной технологии – быстрым охлаждением (ШСХ), стабилизированный бором (ШСБ) и самораспадающийся (ШСР). Химический состав шлаков приведен в табл. 1.

Таблица 1 – Химический состав исследуемых шлаков

Зерновой состав шлаков определялся лазерным анализатором размера частиц.

Шлак ШСР был подвергнут силикатному распаду и представлял собой порошкообразный материал фракции 0-100 мкм с медианой распределения d₅₀=24 мкм.

Помол шлаков ШСХ и ШСБ производили в измельчительном комплексе КИ-0,36 так же до фракции 0-100 мкм. Анализ зернового состава измельченных шлаков показал, что по дисперсным характеристикам данные шлаки сопоставимы со шлаком ШСР (d₅₀=24-28).

Минералогический состав определяли методом рентгенофазового анализа, в результате которого установлено, что шлак ШСХ характеризуется наличием следующих соединений: бредигит (b-2CaO∙SiO₂); ларнит (ά-2CaO·SiO₂); геленит (2CaO∙Al₂O₃∙SiO₂); периклаз (MgO).

Шлак, стабилизированный бором (ШСБ), представлен минералами (b-2CaO∙SiO₂), (ά-2CaO·SiO₂), (12СaO∙7Al₂O₃), (g-2CaO∙SiO₂), , (CaO∙2Al₂O₃), (3CaO∙MgO∙2SiO₂).

Минералогический состав самораспадающегося шлака ШСР представлен в основном минералами g-C₂S. Кроме того, в шлаке присутствуют также: геленит (2CaO∙Al₂O₃∙SiO₂), (MgO), (β-C₂S).

При исследовании вяжущих свойств шлаков в качестве активизаторов использовали раствор сульфата алюминия Al₂(SO₄)₃∙18H₂O, известь CaO и растворимое натриевое стекло Na₂O∙nSiO₂ с силикатным модулем M_c=2,93 плотностью 1200 кг/м³.

Результаты влияния вида активизатора на прочность шлакового камня приведены в табл. 2.

Таблица 2 – Предел прочности при сжатии шлакового камня после ТВО в зависимости от вида активизатора

Из табл. 2 следует, что шлаки без активизатора не обладают гидравлической активностью; шлак ШСБ обладает незначительной гидравлической активностью (0,8МПа), что характеризует эти шлаки как неактивные. Наиболее эффективное воздействие из всех активизаторов оказывает модифицированное гидроксидом натрия жидкое стекло, что, возможно, обусловлено разрушением кристаллов двухкальциевого силиката C₂S ионами кремниевой кислоты_, переходом в раствор ионов окиси кальция с последующим их взаимодействием с гелем кремниевой кислоты и образованием нерастворимых гидросиликатов кальция, которые обеспечивают прочность системы. Гидроксид натрия, образовавшийся в результате диссоциации жидкого стекла, является активизатором гидратации C₂S, который переводит в раствор ионы кальция, образующиеся при гидролизе шлака на поверхности частиц.

На основании изложенного жидкое стекло является наиболее предпочтительным активизатором для шлаков. Свойства шлаковых вяжущих (табл. 3), активизированных натриевым жидким стеклом, определяли по стандартным методикам, принятым для портландцемента, в соответствии с ГОСТ 310.1-81*.

Таблица 3 – Свойства шлаковых вяжущих

Из данных табл. 3 следует, что при использовании жидкого стекла сроки схватывания вяжущих на шлаках ШСХ и ШСБ слишком малы, что не дает возможности качественно формовать смесь, поэтому необходимо замедлять процесс схватывания.

Увеличение сроков схватывания достигали путем введения в систему гидроксида натрия, который замедляет химическое взаимодействие ионов кремниевой кислоты с оксидом кальция и таким образом образование нерастворимых гидросиликатов кальция. Оптимальное содержание NaOH, при котором сроки схватывания удовлетворяют стандарту, по экспериментальным данным составило 6%.

Минеральный состав шлакового камня исследовали при помощи термического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии, в результате которого выявлено, что в составе новообразований шлаковых вяжущих присутствуют CaO*SiO₂*2H₂O, Ca(OH)₂, CaCO₃ и 3CaO*Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O.

Кинетика набора прочности шлаковых вяжущих приведена на рис. 1.

  

Рис. 1. Кинетика набора прочности шлаковых вяжущих:

а) – предел прочности при сжатии; б) предел прочности при изгибе

 

Следует отметить, что шлак, стабилизированный бором, имеет более высокие прочностные характеристики по сравнению со шлаком, стабилизированным быстрым охлаждением. Это объясняется тем, что шлак ШСБ содержит в своем составе майенит (12СaO·7Al₂O₃), который быстро взаимодействует с водой. Кроме того, при внедрении в решетку C₂S ионов бора изменяется его структура, повышается степень разупорядоченности кристаллов двухкальциевого силиката, что способствует увеличению его гидравлической активности.

Влияние условий твердения на прочность шлаковых вяжущих приведено на рис. 2.

  

Рис. 2. Влияние условий твердения на прочность шлаковых вяжущих:

а) при сжатии; б) при изгибе

 

Из рис. 2 видно, что при ТВО происходит значительное снижение прочности шлаковых вяжущих как на шлаке ШСХ, так и на шлаке ШСБ. Это может быть связано с тем, что при ТВО происходит перекристаллизация образовавшихся при гидратации гексагональных гидроалюминатов кальция с образованием наиболее устойчивых кристаллов кубической формы, которая вызывает напряжения в структуре шлакового камня и приводит к снижению прочности [3]. ТВО для данных шлаков проводить нежелательно.

Вяжущее на основе шлака ШСР подвергалось автоклавной обработке, которую проводили по следующему режиму: подъем давления – 1,5 часа, выдержка при давлении пара 0,8 МПа – 6 часов, сброс пара – 1,0 час. На рис. 3 представлены результаты физико-механических испытаний полученных образцов вяжущего.

  

Рис. 3. Влияние условий твердения на прочность шлакового вяжущего:

а) предел прочности при сжатии; б) предел прочности при изгибе

 

Из рис. 3 следует, что наиболее благоприятным условием твердения для вяжущего на основе самораспадающегося шлака является автоклавная обработка, при которой кристаллические фазы шлака гидратируются в более короткие сроки.

Таким образом, проведенные исследования позволили установить, что для всех видов шлаков наиболее эффективной является щелочная активизация растворимым натриевым стеклом. На основе электросталеплавильных шлаков, полученных в измельчительном комплексе КИ, разработано вяжущее марок 200 и 300 соответственно для шлаков ШСХ и ШСБ. Активность вяжущего на основе шлака ШСР составила 13 МПа. Заметное повышение прочностных свойств такого вяжущего дает автоклавная обработка, поэтому его можно рекомендовать для производства бетонов автоклавного твердения.

Результаты исследований показывают, что полученные вяжущие на основе электросталеплавильных шлаков перспективны для использования их в бетонах. Поэтому дальнейшие исследования направлены на определение физико-механических, деформативных и эксплуатационных свойств бетонов на основе шлаковых вяжущих.

Список литературы:

1. Горшков В.С., Александров С.Е., Иващенко С.И., Горшкова И.В.. Комплексная переработка и использование металлургических шлаков в строительстве. М.: Стройиздат. 1985. 272с.
2. Горшков В.С. Гидратационные свойства анортита и псевдоволластонита // ЖПХ. 1966. т.39. №2. С.448–451.

3. Рояк С.М., Рояк Г.С. Специальные цементы. М.: Стройиздат. 1983. – 279 с.

Статья в формате PDF

Другие публикации:

• Еще одна дробилка ДЦ-1,6 введена в эксплуатацию в Челябинской области

  16 апреля 2020 г. в Челябинской области заработала очередная центробежная дробилка ДЦ-1,6.

• На смену старому – современное оборудование

  Материалы газеты «Уральский Хризотил» от 5 июля 2018 г.

• Сухие строительные смеси

  (www.buildmix.ru)

  Технологии изготовления поверхностно модифицированных минеральных порошков с использованием центробежно-ударных измельчителей

  Применение для получения минеральных наполнителей центробежно-ударных мельниц в сочетании с жидкими химическими модификаторами позволяет создавать поверхностные наноструктуры с заданными характеристиками и, тем самым, управлять свойствами тонкодисперсных продуктов.

  Статья в формате PDF

• Мир дорог

  (www.sajek.ru)

  Круглый стол по ДСО

  На страницах жернала "Мир дорог" состоялся очередной круглый стол по актуальным вопросам в области дробильно-сортировочного оборудования. На вопросы отвечали ведущие специалисты компаний-лидеров отрасли, в их числе компания ЗАО "Урал-Омега". Диалог с читателями и конкурентами на страницах журнала вел Дмитрий Пьянзин - начальник отдела продаж ЗАО "Урал-Омега".

  Статья в формате PDF