С чего все начинается
В процессе обогащения и выплавки металлов образуются сотни миллионов тонн технологических отходов (шлаки, шламы и другие). Так, в Российской Федерации, по некоторым оценкам, только сталеплавильных шлаков накоплено свыше 250 миллионов тонн. Они занимают площадь около 1,3 тысяч гектаров. Кроме этого, в отвалы ежегодно сваливается около 5-7 миллионов тонн шлаков [1]. Подобные отходы представляют собой огромную экологическую проблему.
Массовое промышленное использование молотого гранулированного шлака совместно с цементом в качестве компонента вяжущего для бетона началось в первой половине ХХ века. И в настоящее время молотый доменный гранулированный шлак, наряду с золой уноса и микрокремнеземом является одним из ценнейших отходов для применения в области строительства.
Компонент | Содержание масс. % в гранулированном шлаке ПАО «Северсталь» | Содержание масс. % в гранулированный шлак НЛМК | Содержание масс. % в портландцементе марки М500 |
SiO2 | 37, 28 | 28,83 | 20-23 |
CaO | 37, 41 | 52,13 | 60-75 |
MgO | 12,3 | 7,61 | 2-4 |
Al2O3 | 10,29 | 5,98 | 4-7 |
Na2O | 0,672 | 1,09 | — |
K2O | 0,53 | 0,31 | — |
TiO2 | 0,46 | 2,61 | — |
MnO | 0,43 | 0,27 | — |
S | 0,31 | 0,36 | — |
Fe2O3 | 0,13 | 0,37 | 1-4 |
SrO | 0,06 | 0,15 | — |
P2O5 | 0,02 | <0,01 | — |
ZrO2 | 0,02 | 0,05 | — |
Co3O4 | 0,01 | <0,01 | — |
V2O5 | 0,01 | <0,01 | — |
Cr2O3 | <0,01 | <0,01 | — |
Nd2O3 | <0,01 | <0,01 | — |
WO3 | <0,01 | <0,01 | — |
Ta2O5 | <0,01 | <0,01 | — |
Nb2O5 | <0,01 | <0,01 | — |
Sc2O3 | <0,01 | <0,01 | — |
Y2O3 | <0,01 | <0,01 | — |
BaO | <0,01 | 0,11 | — |
CuO | <0,01 | 0,01 | — |
Cl | <0,01 | 0,01 | — |
Молотый шлак в основном используется:
- в качестве вяжущего совместно с цементом для производства цементного бетона, в том числе в виде шлакопортландцемента;
- в качестве вяжущего (индивидуального и в составе комплекса с цементом, золой уноса, известью) для укрепления слоев дорожной одежды в дорожном и аэродромной строительстве;
- в качестве наполнителя для производства бетона на битумном вяжущем при строительстве дорожных одежд.
Однако в зависимости от исходного сырья при производстве металлов доменный шлак может иметь переменный химический и фазовый состав. Поэтому использование доменного шлака в строительстве должно предваряться тщательным исследованием его состава, которое дает возможность оценить не только гидравлические свойства шлака, но и устойчивость его структуры к распаду.
В данной статье приведены некоторые результаты исследования свойств доменного шлака ПАО «Северсталь» (г. Череповец, РФ), в частности химический состав предоставленных образцов, а также испытания шлака в составе смешанного вяжущего для бетона.
Что за химия входит в состав шлака ПАО «Северсталь»
Исследования химического состава было проведено в НИТУ МИСиС с применением рентгенофлюоресцентного метода на рентгенофлюоресцентном спектрометре ARL 9900. Для исследования образцы шлаков были размолоты в ступке Fritsch в течении 10 мин для последующего прессования на подложке из борной кислоты. В процессе исследования установлено различие составов шлаков, в частности в шлаке, представленном Новолипецким металлургическим комбинатом (далее НЛМК), содержание оксида кальция значительно выше по сравнению с ПАО «Северсталь», что может быть объяснено применением различного сырья. Сравнительный анализ составов шлаков и типичного состава цемента марки М500 показан в табл.1.
Модуль основности шлака, определяемый по формуле (СаО + MgO)/(SiO2), составляет 1,3, т.е. шлак можно отнести к основным (модуль ≥1).
Результаты исследования фазового состава шлака ПАО «Северсталь» приведены в [2].
На основании проведенных исследований химического и фазового составов шлаков предприятий ПАО «Северсталь» и НЛМК сделан вывод об их высоких вяжущих свойствах.
Как доменный шлак влияет на прочность цементного бетона
Доменный гранулированный шлак ПАО «Северсталь» представляет собой гранулы размером до 5 мм, которые после помола приобретают гидравлическую активность. В [2] приведены результаты определения оптимальной тонкости помола шлака с точки зрения прочности на сжатие и изгиб, а также расплыва стандартного конуса, косвенно характеризующего водоудерживающую способность вяжущего. Так по результатам [2] предпочтительной является тонкость помола Sуд = 3500…4000 см2/г. Для определения влияния шлака на прочность бетона шлак размалывался в лабораторной шаровой мельнице до тонкости помола Sуд=3840 см2/г. Площадь поверхности определялась на приборе ПСХ-11. Свойства шлака после помола приведены в табл. 2.
Результаты исследования фазового состава шлака ПАО «Северсталь» приведены в [2].
Материал | Удельная поверхность, Sуд, см2/г | Средний размер зерен, мкм | Плотность насыпная, кг/м3 | Плотность истинная, кг/м3 | Модуль основности |
Шлак «Северсталь», молотый | 3840 | 6,13 | 960 | 2920 | 1,3 |
Результаты определения влияния молотого шлака на удобоукладываемость бетонной смеси и прочность бетона на сжатие приведены в табл. 3 и на рис.1. Производилась замена 25 и 50% цемента молотым шлаком. Использовались: портландцемент CEM I 42.5 EN 197-1 производства ОАО «Белорусский цементный завод», песок крупный карьер «Минский»; щебень гранитный фр. 5-20 3 группа ПРУП «Гранит». В качестве суперпластификатора применялась поликарбоксилатная добавка «Линамикс ПК тип 1» производства ООО «Полипласт Северо-запад». Бетон твердел в нормально-влажностных условиях. Прочность определялась в соответствии с ГОСТ 10180 [3].
Рис.1. Прочность на сжатие бетона, содержащего в составе вяжущего молотый гранулированный доменный шлак.
Выводы
- Приведены результаты исследования свойств доменного шлака ПАО «Северсталь» (г. Череповец, РФ), а именно химический состав предоставленных образцов шлака, а также его влияние на прочность бетона при замене части цемента (25% и 50%) на молотый шлак с тонкостью помола Sуд=3840 см2/г.
- Результаты испытаний позволяют сделать выводы о том, что молотый шлак с Sуд=3840 см2/г снижает водопотребность смешанного вяжущего. Введение шлака замедляет набор прочности бетона. Однако уменьшение прочности компенсируется снижением водовяжущего отношения за счет низкой водопотребности вяжущего. Прочность бетона со шлаком в возрасте 28 суток превышает прочность бетона контрольного состава на 8…11%. Поликарбоксилатный суперпластификатор «Линамикс ПК» является эффективным разжижителем как для чистых клинкерных, так и для смешанных вяжущих.
- Ранее полученные и приведенные в статье данные позволяют сделать вывод о целесообразности применения шлака производства ПАО «Северсталь» в цементных бетонах.