Міністерство освіти і науки Україні
Одеська державна академія будівництва і архітектури
Курсова робота з предмету: Використання промислових відходів для виробництва будівельних конструкцій виробів та матеріалів
на тему: Використання побічних продуктів металургії в будівництві
Одеса - 2010
Використання шлаку в в'яжучих
З галузей-споживачів промислових відходів найбільш ємною є промисловість будівельних матеріалів. Встановлено, що використання промислових відходів дозволяє покрити до 40% потреби будівництва в сировинних ресурсах. Застосування промислових відходів дозволяє на 10 ... 30% знизити витрати на виготовлення будівельних матеріалів в порівнянні з виробництвом їх з природної сировини, економія капітальних вкладень сягає 35 .. 50%.
В даний час основним споживачем доменних шлаків є цементна промисловість.
Шлакосодержащіе в'яжучі можна підрозділити на такі основні групи: портландцемент і шлакопортландцемент, сульфатно-шлакові, вапняно-жужільні, шлаколужні в'яжучі. З них найбільш важливе значення для будівництва мають портландцемент і шлакопортландцемент, обсяг виробництва яких превалює у загальному випуску цементу. Високою є також техніко-економічна ефективність використання безклінкерних шлакових в'яжучих, що характеризуються низькою собівартістю, нескладної технологією виготовлення і порівняно високими будівельно-технічними властивостями.
Портландцемент. У відповідності з європейськими нормами цементи загальнобудівельного призначення поділяють в залежності від виду та вмісту добавок на п'ять типів. До групи портландцементів відносять портландцемент I типу, який містить до 5% активних мінеральних добавок, і портландцемент II типу, який містить від 6 до 35% мінеральних добавок.
Цемент III типу - шлакопортландцемент. Він може містити від 36 до 80% доменного шлаку. Цементи IV та V типів - відповідно пуцолановий і композиційний цементи. Перший містить від 21 до 55% пуцоланових добавок, другий - 36-80% композиції добавок, в яку як одна з добавок вводиться обов'язково доменний гранульований шлак.
Доменний шлак у виробництві цементів на основі клінкеру застосовують як компонент сировинної суміші і як активну мінеральну добавку. Економічна ефективність застосування гранульованого шлаку в якості активної мінеральної добавки в цемент в кілька разів вище, ніж в якості сировинного компонента. Як сировинний компонент доцільніше застосовувати відвальні шлаки, ресурси яких досить великі. За хімічним складом в якості компонента портландцементний сировинної шихти придатні також і сталеплавильні шлаки.
Хімічний склад доменних шлаків дозволяє використовувати їх замість глинистого і частини карбонатного компонентів у складі сировинних сумішей при виробництві клінкеру. Для доведення силікатної модуля сировинних сумішей до звичайних меж при низькому вмісті в шлаках А1 2 0 3 (5-7%) у них вводять відповідні коригувальні добавки.
Високий рівень підготовки сировинної суміші при застосуванні доменних шлаків забезпечує підвищення продуктивності печей і економію палива. Заміна глини доменним шлаком дозволяє знизити на 20% вміст вапняного компонента, зменшити при сухому способі виробництва клінкеру питома витрата сировини і палива на 10-15%, а також підвищити продуктивність печей на 15%.
Для заводів сухого способу виробництва, що експлуатують пічні агрегати з циклонними теплообмінними пристроями, найбільш раціональним є використання шлаків як компонент сировинної суміші з організацією спільного подрібнення всіх вихідних матеріалів.
При застосуванні малозалізистого шлаків - доменних і феро-хромових (різновид шлаків феросплавного виробництва) - при створенні відновлювальних умов плавки в електропечах можливе отримання білих цементів. При окислюванні металевого хрому, що міститься в феррохромовий шлаках, отримують клінкери з рівною і стійкою зеленим забарвленням.
У портландцемент з мінеральними добавками при подрібненні клин-кера припустимо введення до 35% доменного шлаку. При цьому практично без зміни активності цементу витрата клінкеру знижується на 14-16%, а витрата палива зменшується на 17-18%. У порівнянні з бездобавочний цементом спостерігається деяке зниження міцності на стиск і вигин в ранні терміни твердіння, збільшується усадка і підвищується водовідділення. Корозійна стійкість портландцементу з добавкою шлаку вище, ніж для бездобавочний цементу як при нормальному твердінні, так і після обробки їх.
Портландцемент з добавкою доменних шлаків має досить високу морозостійкість. Він надійно захищає сталеву арматуру в бетоні від корозії.
Використання добавки шлаку в портландцементі є ефективним засобом запобігання шкідливого впливу лужних оксидів, що особливо важливо при використанні реакційноздатних заповнювачів, а також для боротьби з висолоутворень. Хороші результати досягаються при використанні в портландцементі змішаної добавки, що містить доменний шлак і активну мінеральну добавку осадового походження.
Шлакопортландцемент - це гідравлічна терпка речовина, тверднення у воді і на повітрі, одержуване сумісним тонким подрібненням клінкеру, необхідної кількості гіпсу і доменного гранульованого шлаку (35-80%) або ретельно змішуванням тих же матеріалів, подрібнених роздільно.
Гранульовані доменні шлаки у виробництві шлакопорт-цементу, так само як і портландцемент застосовують не тільки як активну мінеральну добавку, але і в якості сировинного компонента цементного клінкеру. Замість доменних шлаків при отриманні шлакопортландцементу можна застосовувати електротермофосфорні шлаки.
Шлакопортландцемент є одним з найбільш ефективних видів в'яжучих, оскільки при його виробництві значна частина клінкеру замінюється більш дешевим гранульованим шлаком. При використанні доменних шлаків для виробництва шлакопортландцементу паливно-енергетичні витрати на одиницю продукції знижуються в 1,5-2 рази, а собівартість - на 25-30%. Наприклад, при виробництві шлакопортландцементу марки М400 витрата палива в середньому на 36% нижче, ніж при виробництві бездобавочний портландцементу тієї ж марки. Витрата електроенергії скорочується на 12, а витрати на утримання та експлуатацію устаткування - на 10-15%.
Цементна промисловість випускає звичайний, швидкотверднучий і сульфатостійкий шлакопортландцемент.
При виробництві сульфатостійкого шлакопортландцементу використовують клінкер з вмістом С 3 А не більше 8% і шлак з вмістом А1 2 0 3 не більше 8%.
Для отримання швидкотверднучого шлакопортландцементу раціону-льон двостадійний помел, тобто попереднє подрібнення клінкеру з подальшим спільним помелом клінкеру і шлаку до питомої поверхні не менше 4000 см 2 / г. Двохстадійний помел забезпечує більш тонке подрібнення клінкерних зерен; він доцільний при використанні основних шлаків, по размаливаемості близьких до клінкеру Кінцева міцність та інші властивості шлакопортландцементу поліпшуються також і при більш тонкому подрібненні шлаку.
Дослідження на ряді цементних заводів показали, що при вмісті в швидкотвердіюче шлакопортландцементі шлаку 30-40% і питомої поверхні 3500 см 2 / г досягається міцність через 2 - 3 діб 25-30 МПа при марці цементу 500. При питомої поверхні 4000 см 2 / г міцність цементу при стисканні через 1 добу становить 15 - 20 МПа. При одному і тому ж витраті цементу на 1 м 3 бетону швидко-твердіючих шлакопортландцемент дозволяє на 10-30% скоротити тривалість тепловологісної обробки залізобетонних виробів, причому в більшості випадків міцність після пропаріва-ня становить 70-90% марочної міцності. Після обробки їх бетони, приготовані на швидкотвердіюче шлакопортландцементі, продовжують інтенсивно набирати міцність.
Шлакопортландцемент не робить коррозирующего дії на сталеву арматуру в залізобетонних виробах і міцно зчіплюється з нею.
Будівельно-технічні властивості шлакопортландцементу характе-ризуются рядом особливостей в порівнянні з портландцементом: більш низькою щільністю (2,8-3 г / см 3); кілька уповільненим схоплюванням і наростанням міцності в початкові строки твердіння. Виготовляють такі марки шлакопортландцементу: М300; М400; М-500. Швидкотвердіючий шлакопортландцемент через 2 доби має міцність на стиск не менше 15 МПа. Марка його повинна бути не менше М400. Для сульфатостійкого шлакопортландцементу встановлені марки М300 і М400.
Для будівництва масивних споруд, що працюють у водному середовищі, крім високої стійкості шлакопортландцементу до хімічної агресії, важливо його зниження тепловиділення, що досягає до 3-м і 7-м добі твердіння приблизно 141 - 197 кДж / кг.
Особливістю шлакопортландцементу, важливою для заводського виробництва збірного залізобетону, є інтенсивне зростання його міцності при пропарюванні, особливо в галузі високих температур. Найбільш інтенсивно зростає міцність при вигині. Одночасно підвищуються морозо-, соле-і тріщиностійкість. Характерно, що ефективність шлакопортландцементу при тепловологісній обробці підвищується в міру збільшення кількості шлаку в цементі, що зумовлено утворенням при підвищеній температурі і лужно-сульфатної активізації додаткової кількості гідросилікатів кальцію і формуванням щільною дрібнопористою структури цементного каменю.
Знижений вміст в шлакопортландцементі вільного гідроксиду кальцію пояснює його більш високу стійкість проти агресивного впливу м'яких та сульфатних вод, а також до підвищених температур.
Морозостійкість шлакопортландцементу трохи нижче морозостійкості портландцементу; вона зменшується зі збільшенням вмісту шлаку. Бетони на шлакопортландцементі зазвичай витримують 50-100 циклів поперемінного заморожування і відтавання. Суттєво підвищити морозостійкість бетонів на шлакопортландцементі можна введенням повітровтягувальних речовин.
Шлакопортландцемент - універсальний в'яжучий матеріал, його можна ефективно застосовувати для бетонних і залізобетонних конструкцій, наземних, підземних і підводних споруд. Із застосуванням шлакопортландцементу зведені найбільші гідроелектростанції на Дніпрі, Єнісеї та ін, він був широко використаний для будівництва підприємств чорної металургії та інших галузей важкої індустрії в Донбасі, на Уралі, в Сибіру, Закавказзі. Шлакопортландцемент успішно застосовують для виробництва збірних залізобетонних конструкцій і виробів із застосуванням пропарювання. Є позитивний досвід застосування шлакопортландцементу для будівництва доріг і аеродромів.
Цементи спеціального призначення. Крім шлакосодержащіх цементів на основі портландцементного клінкеру, широко застосовуються в усіх галузях будівництва, металургійні шлаки є сировинними матеріалами для ряду в'яжучих, що володіють спеціальними властивостями.
Деякі види шлаків і зокрема відвальні шлаки алюмо-термічного виробництва можуть використовуватися для отримання глиноземистого цементу - високоміцного швидкотверднучого в'яжучого, основні властивості якого визначаються переважанням в його складі низькоосновних алюмінатів кальцію.
Мінералогічний склад шлаків представлений в основному глиноземом (70-80%), магнезіальній шпінелью (3-10%) і з'єднаннями титану, хрому і бору в залежності від різновиду шлаку. Перспективним видом сировини для виробництва звичайного глиноземистого цементу є відмиті шлаки вторинної переплавлення алюмінію і його сплавів. Запропоновано спосіб спікання суміші із зазначених шлаків, крейди і невеликої кількості гіпсу, який дозволяє отримувати глиноземистий цемент з високими будівельно-технічними властивостями.
Глиноземис шлак може бути використаний для отримання розширюється цементу. У НИИцемент Ю.Ф. Кузнецової та І.В. Кравченко запропонований розширюється портландцемент (РПЦ), який складається з портландцементного клінкеру - 60-65%; глиноземистого шлаку - 5-7%; двуводного гіпсу - 7-10%; і гідравлічної добавки - 20-25%. Портландцементний клінкер повинен містити не менше 7% З ^ А і не менше 55% C3S. У природному двуводного гіпсі повинно бути не менше 95% CaS04 * 2Н20.
Дефіцитність глиноземистого шлаку змусила шукати більш доступний його замінник. У 1965 р. І.В. Кравченко та Г.І. Чистяковим був запропонований розширюється портландцемент, в якому був застосований відхід сталеплавильного виробництва - сталерафініровочний глиноземистий шлак. Дослідження показали, що заміна глиноземистого шлаку сталерафініровочним шлаком, мають дещо інший мінералогічний склад, не погіршила будівельно-технічних властивостей розширює портландцементу. Активна мінеральна добавка в складі розширюється портландцементу може бути представлена осадовими гірськими породами типу трепелів або опок або доменними гранульованим шлаком. При випуску РПЦ здійснюють спільний помел зазначених матеріалів до тонкості помелу, яка характеризується залишком на ситі № 02 не більше 1% і на ситі № 008 - не більше 7%.
На основі металургійних шлаків запропоновано ряд тампонажних в'яжучих і розчинів для тампонування нафтових і газових свердловин. У процесі цементування істотне значення мають структурно-механічні властивості тампонажних розчинів. Інтенсивне загуснення цементних суспензій часто є причиною серйозних ускладнень при цементуванні. Шлакові розчини протягом тривалого часу після змішування з не піддаються загустеванию. Проте істотним недостат-ком шлакових розчинів є велика водовіддача. Зниження водошлакового відносини сприяє підвищенню в'язкості розчинів і прискорює їх схоплювання.
В основному, шлакопортландцемент в «холодних» свердловинах застосовується для підвищення корозійної стійкості каменя при ізоляції агресивних пластових вод.
Шлакопесчаний цемент готується шляхом сумісного помелу шлаку з піском. При цьому виходять тампонажні матеріали з гамою різноманітних властивостей, що забезпечують необхідну якість цементування свердловин при різних умовах.
Незважаючи на те, що мелений пісок володіє більшою питомою поверхнею, ніж пісок природної крупності, шлакові розчини, приготовлені з додаванням меленого піску, на відміну від аналогічних цементно-піщаних розчинів, що не піддаються інтенсивному загустеванию протягом тривалого часу після їх приготування. Ця обставина має велике значення при прокачування розчину в свердловину.
На основі деяких видів шлаків і, зокрема, феррохромовий можна отримувати кольорові цементи та пігменти.
Оскільки склад ферохрому суворо нормується, коливання хімічного складу феррохромовий шлаку незначні, що гарантує стабільність технологічного процесу одержання цементів і пігментів на основі феррохромовий шлаку.
Феррохромовий шлак являє собою сірий порошкоподібний матеріал з високою дисперсністю, яка пояснюється поліморфним перетворенням Р-двухкальціевого силікату в у-модифікацію, що супроводжується збільшенням об'єму. При цьому питома поверхню шлаку дорівнює 2500-2800 см 2 / г. Дані седиментаційного аналізу показали, що вміст тонких фракцій (розміром менше 40 мкм) становить більше 70%.
Враховуючи близькість хімічного складу феррохромовий шлаку до портландцементу, наявність в ньому ряду модифікуючих елементів і оксиду хрому - сильного хромофора, цей вид шлаку можна використовувати в якості основного компонента сировинної суміші для отримання кольорових цементів, зокрема, для отримання зеленого цементу і пігментів широкої колірної гами . За своїми характеристиками зелений цемент на основі феррохромовий шлаку повністю відповідає вимогам ГОСТ. При цьому температура випалу цементного клінкеру значно нижче температури випалу декоративних цементних клінкерів, що випускаються цементними заводами.
Сульфатно-шлакові цементи - це гідравлічні в'яжучі речовини, одержувані сумісним тонким подрібненням доменних шлаків і сульфатного збудника тверднення (гіпсу або ангідриту) з невеликою добавкою лужного активізатор (вапна, портландцементу або обпаленого доломіту).
Широке поширення з групи сульфатно-шлакових отримав гіпсошлакові цемент, який містить 75-85% шлаку, 10-15 дво-водного гіпсу або ангідриту, до 2% оксиду кальцію або 5% портланд-цементного клінкеру. Висока активізація забезпечується при використанні ангідриту, обпаленого при температурі близько 700 ° С, й високоглиноземисті основних шлаків. У міру зменшення основності шлаків доцільно збільшення концентрації вапна (від 0,2 г / л СаО для основних шлаків до 0,4-0,5 г / л для кислих).
Різновидом цієї групи цементів є також шлаковий безклінкерних цемент, що складається з 85-90% шлаку, 5-8% ангідриту і 5-8% обпаленого доломіту. Ступінь випалу доломіту залежить від основності шлаків. При використанні основних шлаків випал ведуть при температурі 800-900 ° С до часткового розкладу СаС03, а кислих - при температурі 1000-1100 ° С до повної дисоціації СаС03 (2.5).
Активність сульфатно-шлакових цементів істотно залежить від тонкості подрібнення. Висока питома поверхня в'яжучих (4000-5000 см 2 / г) досягається за допомогою мокрого помелу. При високій тонкощі подрібнення та раціональне складі міцність цих цементів не поступається міцності портландцементу. Однак недоліком сульфатно-шлакових цементів є швидке зниження активності при зберіганні; характерним для них є зв'язування підвищеної кількості води при гідратації, що викликає в бетонах значний зсув оптимальних В / Ц у бік більших значень (до 0,5-0,65). Знижена пластичність сульфатно-шлакових цементів зумовлює істотне зниження міцності бетонів на їх основі в міру отощенія, тобто збільшення вмісту заповнювачів.
Оптимальна температура твердіння цих цементів 20-40 ° С, при більш низьких температурах або більш високих міцність знижується.
Як і інші шлакові в'яжучі, сульфатно-шлакові цементи мають невелику теплоту гідратації до 7 діб, що дозволяє застосовувати їх при зведенні масивних гідротехнічних споруд. Цьому сприяє також їхня висока стійкість до впливу м'яких та сульфатних вод. Хімічна стійкість сульфатно-шлакових цементів вище, ніж шлакопортландцементу, що робить їх застосування доцільне в різних агресивних умовах.
Сульфатно-шлакові в'яжучі твердіють порівняно повільно. Їх марки Ml50-М300. Протягом перших 2-3 тижнів твердіння бетони на цих в'яжучих необхідно оберігати від висихання. В іншому випадку поверхневий шар конструкцій стає недостатньо міцним.
Для виготовлення сульфатно-шлакових в'яжучих доцільно застосовувати основні доменні шлаки з підвищеним (10-20%) вмістом глинозему. Для кислих шлаків бажано, щоб модуль основності був не менше 0,8 і модуль активності не нижче 0,45. Арматура в бетонах на сульфатно-шлакових в'яжучих при підвищеній вологості піддається корозії.
Вапняно-шлакові цементи - це гідравлічні в'яжучі речовини, одержувані спільним помелом доменного гранульованого шлаку та вапна (2.6). Їх застосовують для виготовлення будівельних розчинів і бетонів марок не більше М200. Для регулювання термінів схоплювання і поліпшення інших властивостей цих в'яжучих при їх виготовленні вводиться до 5% гіпсового каменю. Цементи більш високої якості можна отримати, застосовуючи основні шлаки з підвищеним вмістом глинозему і негашене вапно, зміст якої 10-30%.
Вапняно-шлакові цементи за міцністю поступаються сульфатно-шлаковим. Їх марки: М50, М100, Ml50, М200. Початок схоплювання повинен наступати не раніше ніж через 25 хв, а кінець - не пізніше ніж через 24 годин після початку замішування. При зниженні температури, особливо після 10 ° С, наростання міцності різко сповільнюється і, навпаки, підвищення температури при достатній вологості середовища сприяє інтенсивному твердненню. Твердіння на повітрі можливо лише після досить тривалого тверднення (15 - 30 доби) у вологих умовах. Для вапняно-шлакових цементів характерні низька морозостійкість, висока стійкість в агресивних водах і мала екзотермії.
Шлакові в'яжучі для бетонів автоклавного твердіння - це продукти тонкого подрібнення мартенівських, ваграночних та деяких інших низькоактивних при нормальному твердінні шлаків з активізаторами-тверднення, якими служать цемент або вапно (10-20%) і гіпс (3-5%). Їх активність особливо проявляється при тепловлаж-ностно обробці в автоклавах під тиском 0,8-1,5 МПа при температурі 170-200 ° С. Міцність при стисканні автоклавування зразків з пластини розчинів складу 1:3 досягає 20-30 МПа і більше. Отримують їх, в основному, так само як вапняно-та сульфатно-шлакові цементи. До дроблення і помелу з шлаків відокремлюють за допомогою магнітних сепараторів металеві включення. Розмелюють в'яжучі речовини до залишку на ситі № 008 не більше 10-15%.
Здатністю інтенсивно тверднути при автоклавної обробки володіють не тільки тонкоподрібнені гранульовані, але і відвальні металургійні шлаки. Останні складаються в основному з кристалічних фаз, нездатних тверднути при 20-100 ° С. При більш високих температурах вони взаємодіють з водяною парою і утворюють гідратів з'єднання, що супроводжується твердненням шлаків. Твердненню відвальних шлаків в автоклавах сприяє добавка до шлакам хімічних активізатором, а також механічна активізація - тонке подрібнення на бігунах, у кульових і вібраційних млинах і т. д.
Широкі дослідження з одержання та застосування автоклавних матеріалів на основі металургійних шлаків проведені в Московському інженерно-будівельному інституті під керівництвом А.В. Волженський. Було показано при використанні шлаків різних заводів, що якщо значення міцності зразків нормального тверднення знаходяться в межах від 0,8 до 5,8 МПа, то міцність ав-токлавірованних зразків змінюється від 12,2 до 36,1 МПа.
В умовах автоклавного тверднення набувають здатність тверднути мелені шлаки, саморассипающіеся в результаті переходу мінералу 2CaOSi0 2 з | 3 - в у-форму. Особливостями шлакових в'яжучих автоклавного твердіння є знижені усадка на повітрі і набухання у вологому середовищі, висока стійкість стосовно м'яким і сульфатним водам.
Шлаколужні в'яжучі - це гідравлічні в'яжучі речовини, одержувані подрібненням гранульованих шлаків спільно з лужними компонентами або затвором мелених шлаків розчинами сполук лужних металів (натрію або калію), що дають лужну реакцію.
Шлаколужні в'яжучі запропоновані і досліджені під керу-вом В.Д. Глухівського в Київському національному університеті будівництва і архітектури.
Для отримання шлаколужних в'яжучих застосовують гранульовані шлаки - доменні, електротермофосфорні, кольорової металургії. Необхідна умова активності шлаків - це наявність склоподібної фази, здатної взаємодіяти з лугами. Тонкість помелу повинна відповідати питомої поверхні не менше 3000 см 2 / г.
В якості лужного компоненту застосовують каустичну і кальциновану соду, поташ, розчинна силікат натрію і ін Зазвичай використовують також попутні продукти промисловості: плав лугів (содове виробництво); содощелочной плав (виробництво капролактаму); содопоташную суміш (виробництво глинозему); цементний пил і т . п. Використання щелочесодержащіх відходів дозволяє отримувати значні обсяги шлаколужних в'яжучих. Оптимальний вміст лужних сполук у в'яжучому в перерахунку на Na 2 0 становить 2-5% маси шлаку.
Для шлаків з модулем основності (М0) більше одиниці можуть застосовуватися всі лужні сполуки або їх суміші, що дають у воді лужну реакцію, для шлаків з М0 <1 тільки їдкі луги та лужні силікати з модулем 0,5-2, несілікатние солі слабких кислот і їх суміші можуть бути використані тільки в умовах тепловологісної обробки.
Висока активність сполук лужних металів, порівняно з сполуками кальцію, дає можливість отримати швидкотверднучі, високоміцні в'яжучі. Наявність лугів інтенсифікує руйнування і гидролитическое розчинення шлакового скла, освіта лужних гідроалюмосілікатов і створення середовища, що сприяє утворенню і високої стійкості низько <есновних кальцієвих гідросилікатів. Мала розчинність новоутворень, стабільність структури в часі є вирішальними умовами довговічності шлаколужних каменю.
Початок схоплювання цих в'яжучих не раніше 30 хв, а кінець - не пізніше 12 год від початку замішування.
За межею міцності при стисненні через 28 діб шлаколужні в'яжучі підрозділяють на марки від М300 до М1200. Для прискорення набору міцності і зменшення деформативності у в'язке вводять добавку цементного клінкеру (2-6%, мас). Межа міцності при стисненні швидкотверднучого шлаколужних в'яжучого у віці 3 діб для марок М400 і М500 становить не менше 50% марочної міцності, а для марок М600-М1200 - не менше 30 МПа.
Шлаколужні в'яжучі сприйнятливі до дії тепловлаж-ностно обробки. При температурі пропарювання 80-90 ° С цикл обробки може бути скорочений до 6-7 год, активна частина режиму становить 3-4 ч. Можна значно знизити і максимальну температуру пропарювання, а також використовувати ступінчасті і пікові режими обробки.
Контракція шлаколужних в'яжучих у 4-5 разів менше, ніж у портландцементу, внаслідок чого вони мають більш низьку пористість, що забезпечує їх високу водонепроникність, морозостійкість, відносно низькі показники усадки і повзучості. Незважаючи на інтенсивне зростання міцності в ранні терміни твердіння, тепловиділення у них невисоко (в 1,5-2,5 рази менше, ніж у портландцементу).
Шлаколужні в'яжучі володіють високою корозійною стійкістю і біостійкістю. Лужні компоненти виконують роль протиморозних добавок, тому в'яжучі інтенсивно твердіють при негативних температурах.
Дослідженнями В.Д. Глухівського, П.В. Кривенко, Є.К. Пушкарьової, Р.Ф. Рунова та ін розроблено ряд спеціальних шлаколужних в'яжучих: високоміцних, швидкотверднучих, безусадочних, кон-зіонностойкіх, жаростійких, тампонажних.
Економічна ефективність їх висока. Питомі капіталовкладення на виробництво цих в'яжучих в 2-3 рази менше, ніж при виробництві портландцементу, тому що відсутні фондо-, капіталі-і матеріаломісткі технологічні операції: не потрібні розробка родовищ, підготовка сировини, дроблення, випалення і ін Наприклад, порівнюючи витрати на виробництво шлаколужних в'яжучих марок М600-М1200 і портландцементу марки М600, побачимо, що їх собівартість нижча у 1,7-2,9 рази, питома витрата умовного палива-в 3-5, електроенергії - в 2, наведені витрати - в 2 - 2 , 5 рази менше, ніж при виробництві портландцементу.
Використання металургійних шлаків як заполпітелей
Металургійні шлаки є значним резервом забезпе-чення будівельної індустрії заповнювачами для бетонів. Шлакові запов-вання за величиною насипної щільності можуть бути важкими (ρ> 1000 кг/м3) і легкими (ρ <1000 кг/м3), а по крупності зерен - дрібними (<5 мм) і великими (> 5 мм).
Шлаковий щебінь. Шлаковий щебінь отримують дробленням відвальних металургійних шлаків або спеціальною обробкою вогненно-рідких шлакових розплавів (литий шлаковий щебінь). Для виробництва щебеню в основному застосовують відвальні шлаки, сталеплавильні (прийнятні для переробки на щебінь), а також міделиварний, нікелеві і інші шлаки кольорової металургії.
До ефективних видів важких заповнювачів бетону, які не поступаються за фізико-механічними властивостями продуктам дроблення щільних природних кам'яних матеріалів, відноситься литий шлаковий щебінь. При виробництві цього матеріалу вогненно-рідкий шлак з шлаковозних ковшів зливається шарами товщиною 250-500 мм на спеціальні ливарні майданчика або в трапецієподібні ями-траншеї. При витримці протягом 2-3 год на відкритому повітрі температура розплаву в шарі знижується до 800 ° С і шлак кристалізується. Потім його охолоджують водою, що призводить до розвитку численних тріщин. Шлакові масиви на лінійних майданчиках або в траншеях розробляються екскаваторами з наступним подрібненням і грохоченням.
Фізико-механічні властивості литого шлакового щебеню:
Середня щільність шматків, кг / м 3 2200-2800
Справжня щільність, кг / м 3 2900-3000
Межа міцності на стиск, МПа 60-100
Водопоглинання,% мас 1-5
Насипна густина щебеню, кг / м 3 1200-1500
Литий шлаковий щебінь характеризується високими морозо-і жаростійкістю, а також стійкістю до стирання. Вартість його майже в 2 рази менше, ніж щебеню з природного каменю. Для виготовлення бетонних і залізобетонних виробів застосовують фракціонований литий шлаковий щебінь крупністю 5-70 мм. Несортоване матеріал використовується в дорожньому будівництві та у виробництві мінеральної вати, а відсів може служити заповнювачем жаротривких бетонів і частково замінювати гранульований шлак у виробництві шлакопортландцементу. Для отримання литого щільного шлакового щебеню кристалічної структури застосовуються «малогазістие» вогненно-рідкі шлаки, в яких при охолоджуванні утворюється мінімальне число пір, а середня щільність шматків - не менше 2200 кг / м 3.
Необхідною умовою отримання заповнювачів з металургійних шлаків є стійкість їх до різних видів розпаду. Особливо небезпечний силікатна розпад, характерний для висококальціевих, маломарганцевих і малогліноземістих шлаків.
Для запобігання вапняного і магнезіального розпаду в шлаках, що переробляються на заповнювачі, не допускаються вільні оксиди кальцію та магнію.
Міцність шлакового щебеню характеризується його маркою. Для щебеню з доменного шлада, вживаного як заповнювача важкого бетону, встановлено п'ять марок по міцності:
Таблиця 1. - Марки міцності
Марка щебеню за міцністю
1200
1000
800
600
300
Втрата в масі після випробувань,%
До 15
15-25
25-35
35-45
45-55
Щебінь марки M1200 може бути використаний при виготовленні бетону марки М-400 і вище, М1000 - марки МЗОО, М800-марки М200 і М600 - нижче М200. Щебінь низьких марок застосовується також при виготовленні бетонів більш високої міцності, але після відповідної перевірки та техніко-економічного обгрунтування.
Залежно від числа циклів, які витримує щебінь при випробуванні, встановлюють його марки за морозостійкістю.
Поряд з щільними відвальними шлаками для виробництва щебеню використовують пористі шлаки, утворені з розплавів з великим газонасичення, спученням бульбашками газів, що виділяються. Міцність пористих відвальних шлаків 2,5-40 МПа; середня щільність у шматку становить 400-1600 кг / м 3, що дозволяє забезпечити насипну щільність щебеню 800 кг / м 3 і менше і застосовувати їх для виробництва легких бетонів.
Фізико-механічні властивості шлакового щебеню змінюються в більш широкому інтервалі, ніж щебеню з гірських порід що зумовлено коливаннями якості сировинних матеріалів і технологічних параметрів.
Шлаковий щебінь застосовується не тільки як заповнювач цементних бетонів, але також у дорожньому будівництві для зміцнення основ і влаштування асфальтобетонних покриттів. У залежності від структурних особливостей, опору стирання і дробу-мости шлаковий щебінь поділяється на марки:
Таблиця 2. - Марки шлакового щебеню
Марка щебеню за стиранням
І I
І II
І III
М IV
Втрата в масі після випробувань,%
До 25
25-35
35-45
45-60
Шлакомінеральние суміші. До шлакомінеральним сумішей відносяться кам'яні матеріали, укріплені гранульованим доменним шлаком і призначені для влаштування основ автомобільних доріг. Для активізації шлаків і тверднення сумішей до їх складу вводять добавки гашеного вапна (1-3%) або портландцементу (3-5%). Шлакомінеральние суміші, активовані гашеним вапном, повільно схоплюються і твердіють, що дозволяє робити розриви в кілька діб між приготуванням суміші та її укладанням в підстави. Шлакомінеральние суміші, активовані цементом, схоплюються швидше і дозволяють вести будівельні роботи протягом 6-8 ч.
Шлакомінеральние суміші, укладені в шарі основи, практично не вимагають спеціального догляду і дозволяють відкрити рух відразу після ущільнення. Вони допускають укладання асфальтобетонних покриттів відразу після ущільнення підстави. При влаштуванні основ з шлакомінеральних сумішей на дорогах вищих категорій можна використовувати не тільки місцеві маломіцні кам'яні матеріали, але і піщано-гравійні суміші.
Шлакомінеральное підставу більш жорстко в порівнянні з бітумом-мінеральним, проте воно набагато гнучкіша і деформативні підстав, влаштованих з цементованих матеріалів, в тому числі з бетону.
За тріщиностійкості шлакомінеральное підставу поступається бі-тумомінеральному і поперечні тріщини в ньому виникають при перепадах температур.
У дорожньо-будівельній практиці добре зарекомендували себе склади шлакомінеральних сумішей, в яких витрата гранульованого шлаку змінюється від 10 до 20%.
Дорожнє будівництво є найбільш матеріаломісткою областю застосування шлакового щебеню. Вимоги, що пред'являються до шлакового щебеню, залежать від шару дорожнього одягу, де він використовується. Так, матеріал, що укладається в підстильний шар, повинен володіти водостійкість і морозостійкість, щебінь для підстав - шорсткою поверхнею. У утрамбованном стані матеріал для будівництва доріг повинен володіти високою міцністю на зсув. Для забезпечення руху із встановленою швидкістю покриття повинні мати високу зносостійкість і зберігати рівність. Одним з основних вимог до щебеню для дорожнього будівництва є його здатність не дробитися при укладанні та ущільненні.
Шлаковий наповнювач. Із сталеплавильних шлаків отримують високоякісний мінеральний порошок, який є важливим структуроутворюючим компонентом (наповнювачем) асфальтобетону. На долю мінерального порошку доводиться 90-95% сумарної поверхні мінеральних зерен, що входять до складу асфальтобетону. Основне його призначення - це переклад бітуму в плівкове стан, а також заповнення пір між великими частками, у результаті чого підвищуються щільність і міцність асфальтобетону. Мінеральному порошку з сталеплавильних шлаків властива більш розвинена поверхня, ніж у порошку з карбонатних матеріалів і, як наслідок, більш високу набухання його в суміші е бітумом.
Мінеральний порошок підвищує міцність асфальтобетону, але разом з тим збільшує його крихкість, тому його вміст у суміші має бути гранично мінімальним, достатнім лише для додання асфальтобетону нормативної щільності та міцності. Підвищення масової частки мінерального порошку в суміші понад необхідний мінімум знижує тріщиностійкості покриттів і різко знижує їх зсувостійкість.
Легкі шлакові заповнювачі. Гранульований шлак застосовують у бетонах як дрібний заповнювач. По зерновому складу він відповідає великому піску. Приблизно 50% його маси складають зерна крупністю більше 2,5 мм. Насипна щільність гранульованого шлаку залежить від властивостей шлакового розплаву і технології грануляції і становить 600-1200 кг / м 3. Гранули, які утворюються при швидкому охолодженні шлакового розплаву водою або пароповітряної сумішшю, характеризуються високим вмістом склоподібної фази і пористістю.
Гранульований шлак є ефективним заповнювачем звичайних і дрібнозернистих бетонів, може служити укрупнюються добавкою для збагачення природних дрібних пісків. Пористі різновиди гранульованого шлаку застосовують як заповнювачі легких бетонів.
Технологія виготовлення гранульованого шлаку не складна і полягає в різкому охолодженні рідкого розплавленого шлаку водою або холодним повітрям. Піддавати грануляції можна будь-які шлаки. Цей процес шлакоемкій, тобто з 1 т шлакового розплаву виходить 2-2,5 кубометрів гранульованих шлаків. Найдоцільніше різко охолоджувати шлаки, багаті окисом кальцію (доменні, мартенівські). Це запобігає силікатна розпад, а склоподібна структура з невпорядкованими хімічними елементами володіє терпкими властивостями.
Шлакова пемза - один з найбільш ефективних видів штучних пористих заповнювачів. Її отримують поризацією шлакових розплавів в результаті їх швидкого охолодження водою, повітрям, парою, а також впливом мінеральних газообразователей. Можливі такі механізми поризації розплаву: спучування підйомом газових бульбашок в розплавленої масі; спучування шляхом змішування розплаву з поризуючі газами.
Особливості структури шлакової пемзи залежать від властивостей і складу порізуемого розплаву, а також від природи газів та їх кількості. Вихідні розплави можуть мати різноманітний хімічний склад, проте повинні бути стійкі до всіх видів розпаду. Температура розплаву, що надходить на поризацією не менше 1250 ° С, в'язкість при цьому не повинна перевищувати 5 Пас.
Порізация розплаву відбувається при перенасичення його газами, яке настає внаслідок зниження їх розчинності і кристалізації розплаву.
Освоєно виробництво шлакової пемзи наступними способами: бризкальних-траншейним, басейновим, вододутьевим і гідроекранним.
Найбільш простим і високопродуктивним є Бризгалов-но-траншейний спосіб. Проте його недоліками є нерівномірна пористість одержуваного матеріалу, неоднорідність, а також необхідність виділення великих площ під траншеї.
Вододутьевой (струменевий) спосіб полягає в дробленні шлаку і перемішуванні його з водою в апаратах спеціальної конструкції з допомогою стиснутого повітря або пари.
При використанні басейнового способу шлаковий розплав виливається в стаціонарний або перекидний металевий басейн, в який через перфоровані днище під тиском 0,4-0,6 МПа подається вода. Під впливом утвореного пара і виділюваних газів відбувається спучування розплаву. Утворені брили пористого матеріалу дробляться і розсіюються на фракції. Стаціонарні та перекидні установки різні за способом вивантаження: у перших вона виконується за допомогою екскаваторів або скреперів, а по друге - перекиданням басейну.
Найбільш ефективним в даний час є гідроекранний спосіб, заснований на різкому охолодженні шлакового розплаву в системі послідовно встановлених гидрожелоба, що складаються з жолобів і гідромоніторним насадок, через які подається вода.
Шлакову пемзу випускають у вигляді щебеню трьох фракцій (5-10, 10-20 і 20-40 мм) і піску (рядового із зернами розміром менше 5 мм, дрібного-менш 1,25 і великого-1 ,25-5 мм). Для кожної фракції щебеню, а також дрібного і крупного піску нормується зерновий склад.
В залежності від насипної щільності (кг / м 3) шлакову пемзу ділять на марки: для щебеню - 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900; піску - 600, 700, 800, 900, 1000.
Шлакова пемза застосовується як заповнювач легких бетонів з широким діапазоном середньої густини і міцності показників. Її використовують як пористий заповнювач для конструкційно-теплоізоляційних легких бетонів з щільністю 1300-1600 кг / м 3 та міцністю 5-7,5 МПа і конструкційних бетонів з щільністю 1500-1800 кг / м 3 та міцністю 10-20 МПа. При використанні шлакової пемзи для армованих і особливо напружених конструкцій повинна бути перевірена стійкість арматури, корозія якої можлива за рахунок міститься в шлаку сірки.
Висновок
Можливість застосування шлаків в будівельній індустрії дуже велика. Шлаки є не тільки забруднюють вантажем, але і вельми корисним сировиною. При застосуванні, якого змінюються властивості звичних будівельних матеріалів, як в позитивну так і в негативну сторону.
Безліч технологій застосування шлаків знаходяться на стадії розвитку, тому для інженерів будівельної індустрії є велике поле для діяльності.
Список використаної літератури
1. Дворкін Л.І., Дворкін О.Л. Будівельні матеріали з відходів про-мисловості .- Навчально-довідковий посібник, 2007.
2. Дворкін Л.І., Пашков І.А. Будівельні матеріали з відходів промисловості. - К.: Вища школа, 1989.
3. Черепанов К.А., Черниш Г.І., Дінельт В.М., Сухарєв Ю.І. Утилізація вторинних матеріальних ресурсів у металургії. - М.: Металургія, 1994.
4. В.Г. Микульський, Г.І. Горчаков, В.В. Козлов і ін «Будівельні матеріали. Матеріалознавство і технологія. »Москва. 2002