Гранулированные шлаки в производстве композиционных вяжущих Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Лесовик В. С., член-корр. РААСН д-р. техн. наук, проф.,

Агеева М. С., канд. техн. наук, Иванов А. В., аспирант

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

ГРАНУЛИРОВАННЫЕ ШЛАКИ В ПРОИЗВОДСТВЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ

ВЯЖУЩИХ

ageevams@yandex.ru

Исследовано влияние удельной поверхности, тепловлажностной обработки на сроки схватывания и прочность композиционного вяжущего с использованием шлака. Установлено, что увеличение удельной поверхности вяжущих с одной стороны, и уменьшение части клинкерной составляющей с другой при условии ТВО, приводит к тому, что прочностные показатели композиционных вяжущих с различным количеством добавки шлака в качестве наполнителя приближаются друг к другу и становятся практически одинаковы при Sуд=550 м2/кг.

Ключевые слова: шлак, композиционное вяжущее, сроки схватывания, удельная поверхность.

В последние годы в России происходит динамичное развитие жилищного строительства. Современный подход к строительству жилья предполагает создание эффективных строительных материалов пониженной себестоимости. На сегодняшний день цементная промышленность относится к числу наиболее материало- и энергоёмких отраслей народного хозяйства. Материальные затраты в себестоимости вяжущего достигают 68 %, в том числе затраты на топливо составляют 23 % и на электроэнергию - 11,8 %. Поэтому одним из актуальных направлений является экономия цементного вяжущего как наиболее дорогостоящего компонента бетонной смеси [1-3].

Основным направлением в решении этой задачи является производство многокомпонентных вяжущих, при получении которых расход топлива и клинкера сокращается на 25-30% по сравнению с чистоклинкерными цементами. В настоящее время накоплен большой опыт по выпуску вяжущих с использованием активных минеральных добавок. Поэтому проявляется большой интерес к расширению их ассортимента, изысканию возможностей использования промышленных отходов [4].

Одним из эффективных материалов в части экономии цемента является тонкомолотый доменный гранулированный шлак. Данный материал достаточно хорошо изучен как активная минеральная добавка в цементы, кроме того,

Химический сост

шлак является основным компонентом при получении шлакощелочных вяжущих и изделий на их основе. При его использовании параллельно решается экологическая проблема.

Химический состав доменных шлаков зависит от вида и свойств железных руд, качества кокса, флюсов и вида выплавляемого чугуна. По содержанию окислов доменные шлаки близки к цементу, при этом их минералогический состав существенно отличается от минералогического состава портландцементного клинкера.

Известно, что для производства шлаковых цементов можно применять основные, а также кислые шлаки (при Мо >0,65), богатые глиноземом. Так называемый модуль активности шлака, выражающийся отношением % Al2Oз : % SiO2 должен быть у основных шлаков больше 0,17, а у кислых - больше 0,33 [5].

Нами были проведены исследования по возможности применения доменного гранулированного шлака при производстве композиционных вяжущих (КВ). Для получения вяжущих были использованы следующие материалы: Новолипецкий доменный гранулированный шлак с Мо =1,14 и Ма=0,2 (табл. 1), портландцемент ЦЕМ I 42,5Н ГОСТ 31108-2003. Вяжущие получали путем совместного помола компонентов до удельной поверхности от Sуд=550 м2/кг. Состав вяжущего менялся в зависимости от содержания шлака.

Таблица 1

Новолипецкого шлака_

SiO2 Al2Oз Fe2Oз CaO MgO SОз К2О №2О ™2 MnO Ма Мо

37,087 7,288 0,646 41,401 9,397 1,835 0,529 0,351 0,287 0,102 0,2 1,14

Для определения влияния вяжущих на свойства бетонных смесей были определены сроки схватывания различных их видов (рис. 1)

Установлено, что у вяжущих с большей удельной поверхностью происходит уменьшение периода схватывания и времени начала и конца схватывания вне зависимости от количе-

ства вводимых наполнителей, что связано с увеличением гидратационной активности вяжущих с увеличением удельной поверхности по сравнению с исходным цементом. Так при

8уд=300 м2/кг время начала схватывания составляет от 4 ч 07 мин до 4 ч 25 мин, тогда как при 8уд=600 м2/кг эти значения сокращаются - от 1 ч 40 мин до 2 ч 10 мин.

6:43 5:50

5:45

4:48 4:20 4:47

3:50 2:52 1:55 3:53 4:00 2:45 2:25 2:10 4:25 3:12 2:27

начало конец

—♦— Зуд 3000 см2/г —±— Зуд 4500 см2/г -Ж- Зуд 5500 см2/г —■- Зуд 4000см2/г —Ьуд 5000 см2/г Зуд 6000см2/г

К+20% Шлака

6:00

5:02

4:04 4:25 4:04

3:07 3:20 М-^ТГ- __К 3:32

2:09 1:54 2:32 2:17

1:12

начало конец

—♦—Зуд 3000см2/| -■-Зуд 4000см2/г

—Зуд 4500см2/| —Зуд 5000 см2/г

К-Зуд 5500см2/| Зуд 6000 см2/г

К+40% Шлака ния многокомпонентных вяжущих

0- Как и следовало ожидать, в целом при

е твердении в естественных условиях максималь-е- ные прочностные показатели имеют вяжущие с л- минимальным содержанием шлака. У всех вя-1я жущих наблюдается увеличение значений прочностных показателей с ростом удельной поверх-эт ности, что объясняется повышением гидратаци-

- онной активности как клинкера, так и самого а- шлака. Причем кривые отображающие актив-р- ность вяжущих в 28-суточном возрасте с 10, 20 г- и 30 % шлака максимально приближены друг к а- другу, но при этом все так же соответствуют

общей зависимости максимальных прочностных а показателей у вяжущих с минимальным содер-з- жанием шлака. Это говорит о том, что в ранние

- сроки твердения прочность вяжущих нарастает ю неодинаково, а уже к 28-суточному возрасту

5:45 5:30

4:48

3:50 3:53 А 3.55

2:52 2:50 2:28

1:55 2:10

начало —♦—Зуд 3000 см2/г —*— Зуд 4500 см2/г —*-Зуд 5500 см2/г конец —■—Зуд 4000см2/г —Зуд 5000 см2/г Зуд 6000 см2/г

К+10% Шлака

6:57

6:00

5:02

4:04 4:23 4:00

3:07 *-*ЗТ28

2:27

2:09 1;52 2:02

1:12 1.40

начало конец

—♦—Зуд 3000 см2/г —Зуд 4000 см2/г

-*-Зуд 4500 см2/г —■«■-Зуд 5000 см2/г

Зуд 5500 см2/г Зуд 6000 см 2/г

К+30% Шлака

Рисунок 1. Сроки схватывания мно:

Причем при удельной поверхности 300400 м2/кг вяжущее с 30% шлака имеют самые поздние начало и конец схватывания по сравнению с вяжущими с другим содержанием наполнителя, а при Sуд=550-600 м2/кг- эти значения минимальны.

Тогда как у вяжущих с 10% шлака наоборот при удельной поверхности 300-400 м2/кг наблюдаются самые ранние начало и конец схватывания по сравнению с вяжущими с другим содержанием наполнителя, а при Sуд=550 -600 м2/кг-эти значения возрастают до максимального значения.

Активность вяжущих определялась на стандартных образцах - балочках 4*4*16см, изготовленных из состава 1:3 (вяжущее : стандартный песок). Испытания проводились по ГОСТ 310.1-4 (рис. 2).

тв

ны

м

ж

но

но

он

ш

но

и др

об

по

ж

ср

не

гидратация шлака происходит более интенсивно.

4000 4500 5000

Удельная поверхность, см2/г

Рисунок 2 Кинетика набора прочности при сжатии вяжущих в зависимости от удельной поверхности

У вяжущего с 10 % шлака также максимальная прочность достигается при Sуд=500 м2/кг. Далее она аналогичным образом начинает

резко снижаться ^уд=550 м2/кг), а затем ^уд=600 м2/кг) снова повышается, но до меньших значений, чем при Sуд=500 м2/кг.

Таким образом, практически доказано, что при содержании шлака в композиционном вяжущем 30 % и выше наиболее эффективно проводить помол до Sуд=550 м2/кг, тогда как при значениях 10-20 % шлака - этот показатель снижается до 500 м2/кг.

Также были проведены исследования по выявлению влияния тепловлажностной (ТВ О) обработки на прочностные показатели разработанных вяжущих.

Было установлено, что ТВО позволяет значительно повысить активность шлака и, соответственно, комплексного вяжущего на его основе только при условии помола свыше 500 м2/кг (рис. 3-4).

У вяжущих с 40 % шлака с увеличением удельной поверхности прочности нарастают плавно и имеют максимумы при Sуд=550 м2/кг в любом возрасте.

Такая же картина наблюдается у вяжущего с 30 % шлака в возрасте 28 сут. Однако в 3-х и 7-ми суточном возрасте прочность продолжает незначительно нарастать и при Sуд=600 м2/кг.

У вяжущего с 20 % шлака для 3-х и 28-ми суточных образцов максимальная прочность достигается при Sуд=500 м2/кг. Далее она начинает резко снижаться ^уд=550 м2/кг), а затем ^уд=600 м2/кг) снова повышается до таких же значений как и при Sуд=500 м2/кг. У 7-ми суточного вяжущего показатели прочности продолжают нарастать плавно без пиков от Sуд=400 м2/кг до Sуд=600 м2/кг.

ш

5 о

5 И £1 С

Е о

С ей о н

X

т

о £1 С

с; ш

ш £1 С

55 50 45 40 35 30 25 20

1

ч I > >

■ I ■

10% Шлака 20% Шлака 30% Шлака 40% Шлака

3000 4000 4500 5000 5500

6000

Удельная поверхность вяжущего, см2/г

Рисунок 3. Кинетика набора прочности вяжущих при сжатии в зависимости от удельной поверхности после пропаривания

65

60

5 55

о 50

5 45

40

3000

5500

6000

Так при пропаривании образцов увеличение удельной поверхности вяжущих с одной стороны, и уменьшение части клинкерной составляющей с другой, приводит к тому, что прочностные показатели композиционных вяжущих приближаются друг к другу и становятся

практически одинаковы при Sуд=550 м2/кг (около 52 МПа). А уже при Sуд=600 м2/кг прочности вяжущих с 20 и 40 % шлака начинают снижаться, а с 10 и 30% шлака незначительно возрастают до 54, 3 МПа.

Рисунок 4. Кинетика набора прочности вяжущих при изгибе в зависимости от удельной поверхности после

пропаривания

Интересно, что при изгибе одинаковые значения прочностей наблюдались у вяжущих при Sуд=300 м2/кг и Sуд=600 м2/кг и являлись наиболее минимальными. Максимальные же значения прочностей при изгибе были получены при Sуд=500 м2/кг.

На основе полученных вяжущих возможно получение мелкозернистых бетонов, которые могут найти успешное применение при производстве тротуарной плитки, стеновых блоков и других изделий.

Таким образом, установлено, что у вяжущих с большей удельной поверхностью происходит уменьшение периода схватывания и времени начала и конца схватывания вне зависимости от количества вводимых наполнителей. При твердении в естественных условиях максимальные прочностные показатели имеют вяжущие с минимальным содержанием шлака. При этом для вяжущих с содержание шлака 30 % и выше целесообразно проводить помол до Sуд=550 м2/кг, тогда как при значениях 10-20 % шлака -этот показатель соответствует 500 м2/кг. Экспериментально установлено, что увеличение удельной поверхности вяжущих с одной стороны, и уменьшение части клинкерной составляющей с другой при условии ТВО, приводит к тому, что прочностные показатели композиционных вяжущих с различным количеством добавки шлака в качестве наполнителя приближа-

ются друг к другу и становятся практически одинаковы при Sw=550 м2/кг.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Юдович, Б.Э. Цементы низкой водопо-требности - вяжущие нового поколения / Б.Э. Юдович, А.М. Дмитриев, С.А. Зубехин, Н.Ф. Башлыков и др. // Цемент и его применение. -1997.-№7-8.- с.15-18.

2. Суханов, М.А., Ефимов СИ. и др. Новые пути использования отходов металлургической и энергетической промышленности в технологии вяжущих веществ / М.А. Суханов, С.И. Ефимов и др. // Строительные материалы. — 1991г.- №8.-22-23с.

3. Лесовик, Р.В. Мелкозернистые бетоны для дорожного строительства с использованием отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов./ Р.В. Лесовик -Автореф. дис. ...канд. тех. наук. - Белгород 2002. - 26 с.

4. Алехин, Ю.Л. Экономическая эффективность использования вторичных ресурсов в производстве строительных материалов./ Ю. Л Алехин, А. М. Люсов — М.: Стройиздат, 1988. — 344 с.

5. Мусин, В.Г. Состав и свойства смешанных вяжущих на основе металлургических шлаков и полимерных добавок. / В.Г. Мусин //«Строительные материалы.- 1991.- № 2.- С. 7-8.