CC BY
25ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ УДК 691.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНВЕРТОРНЫХ ШЛАКОВ
АТРОЩЕНКО ЮРИЙ МИХАЙЛОВИЧ
ведущий научный сотрудник Инновационного научного центра "Новые химические
технологии", д.х.н., Тула, Россия
НИКИШИНА МАРИЯ БОРИСОВНА
заведующий кафедрой химии Тульского государственного педагогического университета им. Л.Н. Толстого, к.х.н., Тула, Россия
СИМОНОВ РОМАН ВИКТОРОВИЧ
научный сотрудник Инновационного научного центра "Новые химические технологии", Тула, Россия
Аннотация. Работа посвящена разработке научно-технических основ технологии использования конвертерного шлака в качестве вяжущего при производстве цементных смесей. Был установлен фракционный состав образцов шлака конвертерного, проведен химический анализ с целью определения содержания основных оксидов, изучены прочностные характеристики исходного материала (шлака конвертерного) в смеси его с товарным цементом марки М 500 в разных соотношениях.
Установлено, что диаметр частиц шлака усредненной пробы варьируется от 5 до 0,1 мм. Распределение частиц по фракциям довольно равномерное. Изученный химический состав шлака конвертерного показал высокое содержание оксидов кальция (45,44 %), железа (II) (22,33 %) и кремния (18,11 %). Модуль основности изучаемого шлака составил 2,34, что позволяет отнести его к основной категории. Относительно высокое содержание оксида кремния позволяет предположить, что шлак конвертерный может быть использован в качестве наполнителя при производстве цементных смесей. Значительная доля оксида кальция указывает на хорошие вяжущие свойства шлака.
Анализ прочностных характеристик шлака конвертерного в смеси его с товарным цементом марки М 500 в разных соотношениях позволил выбрать оптимальное содержание шлака в разрабатываемом композите - 80 %.
Ключевые слова: шлак конвертерный, цемент, фракционный и химический состав, прочность на сжатие и изгиб.
Развитие металлургических комплексов России создает проблемы хранения и утилизации отходов. Одним из путей решения этих задач является разработка новых многофункциональных строительных смесей с использованием металлургических шлаков. Конвертерные шлаки, являясь отходами сталеплавильных производств, обладают сложным химическим и минеральным составом, что позволяет давно и успешно использовать их для производства различных цементов. Применение конвертерных шлаков в строительной индустрии решает следующие задачи: обеспечение техногенным сырьем производство новых и традиционных материалов и изделий, а так же устранение негативного воздействия отходов на окружающую среду [1,5].
На АО «Тулачермет» и ООО «ТУЛАЧЕРМЕТ-СТАЛЬ» производит более 4,5 млн. тонн чугуна и стали в год. Из них производство стали составляет 1,8 млн. тонн. Твердые отходы образуются практически на всех стадиях металлургического производства. По
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
ориентировочным подсчетам, на получение 1 т стали используется 4,7 т сырья, из которых в твердые отходы уходит 0,406 т. Отходы складируются на больших площадях, которые занимают тысячи гектаров полезных земель. В них накоплено ~500 млн. т. Шлакоотвалы в большинстве случаев оказывают пагубное воздействие на окружающую среду. Проблема утилизации шлака остро стоит перед предприятием и городом. Одним из способов решения этой задачи является разработка композитных составов на основе шлака для производства цементов с различными техническими характеристиками.
Настоящая работа посвящена вопросам изучения прочностных характеристик строительных композитов на основе конвертерных шлаков - отходов сталеплавильного производства ООО «ТУЛАЧЕРМЕТ-СТАЛЬ». Для проведения исследований использовали конвертерный шлак двух видов: свежий и отвальный. Образцы шлаков отбирались из различных точек площадки хранения, пробы усреднялись.
Для разработки научно-технических основ технологии использования отходов металлургического производства (шлаков) в качестве вяжущего при производстве цементных смесей был установлен фракционный состав образцов шлака конвертерного, проведен химический анализ с целью определения содержания основных оксидов, изучались прочностные характеристики исходного материала (шлака конвертерного) и в смеси его с товарным цементом марки М 500 в разных соотношениях.
Фракционный состав представленных образцов устанавливали ситовым методом без промывки водой (ГОСТ 12536-2014) [2]. Данные о содержании различных фракций представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Фракционный состав образцов шлака конвертерного._
Массовая доля, %
Фракция 5-2 мм Фракция 2-1 мм Фракция 1-0,5 мм Фракция 0,5-0,25 мм Фракция 0,25-0,1 мм Фракция <0,1 мм
18,51 18,87 14,61 29,01 17,62 1,38
Для определения химического состава шлака конвертерного анализировали содержание оксидов: кремния, алюминия, кальция, магния, железа (II), марганца (II), титана (IV), ванадия
(V), хрома (III) (ГОСТ 5382-2019) [3]. Данные представлены в таблице 2.
Таблица 2.
_Химический состав образцов шлака конвертерного._
Массовая доля, %
SiO2 AI2O3 CaO MgO FeO MnO TiO2 V2O5 СГ2О3
18,11 2,56 45,44 3,10 22,33 1,88 0,57 0,11 0,22
Модуль основности изучаемого шлака равен 2,34. Шлак относится к основной категории.
Относительно высокое содержание оксида кремния позволяет предварительно рекомендовать шлак конвертерный в качестве наполнителя при производстве цементных смесей. Значительная массовая доля оксида кальция указывает на хорошие вяжущие свойства шлака.
В работе использовали пробы шлака конвертерного свежего (не позднее 3 суток после выплавки стали) и отвального (срок хранения более 3 месяцев на открытой площадке). Процессы, протекающие в шлаке под действием атмосферной влаги, приводят к изменению химического и минерального состава, что подтверждается рентгенофазовым анализом.
Дифрактограммы образцов шлака были получены на дифрактометре ДРОН-3М с автоматизированным способом регистрации на монохроматированном медном излучении Х=1,5406 А (с графитовым монохроматором на отраженном пучке). Рабочий режим 1=30мА,
и=30кВ. Для идентификации полученных фаз использовалась база данных .ТСРОБ - ГСББ -1999 г. (рис.1 и 2)
Рисунок 1. Дифрактограмма образца СМШ черного отвального.
CuiAtaSt
ш»
2
s * r- 2. « fi
" m & s
H .ы
's 1 4
\ Щ 3 5 f' 1 я « я .T:............2
V till 1 n I C. 1 LI 1. 1 , s S 4_______________ $ g free 3
4" fcfcjJ \ i Hi У H m I к Jf „
s ю и и is ie л а :< л » эо .» и * м « с и 4t ah so и ы se ss ю ы ы et а то
угап • ЗД0; уяж • 70.00; Шаг • 0ЛЖ 3*nwi ■ ОД. Скорость • 2. M*t ч>ою и*» « 1W,
Рисунок 2. Дифрактограмма образца СМШ черного свежего. Анализ дифрактограмм демонстрирует значительное снижение содержания Р-модификации двухкальциевого силиката (D = 4,916, 4,9063 А) в процессе хранения шлака на открытой площадке. Этот фактор является причиной уменьшения вяжущих свойств шлака.
Одним из главных эксплуатационных показателей изделий из цемента является их прочностные характеристики. В связи с этим были проведены испытания прочности на изгиб и сжатие образцов смесей шлака с цементом в различных соотношениях по массе согласно ГОСТу 30744-2001 [4]. Образцы изготавливали из цементного раствора, содержащего шлак с цементом в различных соотношениях по массе, воду и суперпластификатор Сет р1аБ1. Цементный раствор помещали в стандартные трехгнездовые разъемные формы размером 40х40х160 мм для изготовления образцов - балочек. Цементный раствор в формах уплотняли на вибростоле. Через сутки образцы извлекали из формы и оставляли на хранение во влажной камере. Испытания прочности на изгиб и сжатие проводили на 7, 14 и 28 сутки на прессе ИП 1000. Результаты исследования прочностных характеристик шлака конвертерного (отвального и свежего) в смеси его с товарным цементом марки М 500 в разных соотношениях представлены в таблице 3.
Таблица 3
Прочностные характеристики образцов, изготовленных из смеси шлака и цемента, _смешанных в разных соотношениях._
№ Состав смеси, % (масс)* Прочность, МПа
Черный шлак отв., % Черный шлак св., г, (%) Цемент М500, г, (%) Вод а, мл В/Ц 7 суток 14 суток 28 суток
Изги б Сжатие Изги б Сжатие Изги б Сжатие
1 770 (50 %) 770 (50 %) 280 0,36 1 22,3 1 34,95 1,2 39,1
2 924 (60 %) 616 (40 %) 260 0,42 1 18,5 1 21 1,2 21
3 1078 (70 %) 462 (30 %) 216 0,47 1 16 1 17 1,2 18,5
4 1280 (80 %) 320 (20%) 194 0,61 1 11 1 12,5 1 12,75
5 1486 (90 %) 163 (10 %) 176 1,08 < 0,5 1,5 < 0,5 1,5
6 1563 (95 %) 85 (5 %) 164 1,93 < 0,5 0,5 < 0,5 1
7 770 (50 %) 770 (50 %) 332 0,43 0,5 28,4 1 37,15 1,5 39,3
8 924 (60 %) 616 (40 %) 276 0,45 1 25,1 1,5 37,3 1,5 39,6
9 1078 (70 %) 462 (30 %) 270 0,58 1 18,5 1,5 28,1 1,5 35,6
1 0 1280 (80 %) 320 (20%) 258 0,81 0,5 13,5 1 15,5 1 16,5
1 1 1486 (90 %) 163 (10 %) 264 1,62 < 0,5 5,5 < 0,5 6,5 < 0,5 6,5
1 2 1563 (95 %) 85 (5 %) 256 3,01 < 0,5 2 < 0,5 2 < 0,5 2
Данные таблицы 3 указывают на высокие значения прочности на сжатие образцов с содержанием шлака отвального менее 70 % и шлака свежего менее 80 %. Очевидно, что для разработки технологии производства цементных смесей на основе шлака конвертерного следует использовать композиты с содержанием шлака 80 %. Увеличение массовой доли цемента в разрабатываемом продукте будет экономически нецелесообразно. Повышение прочностных характеристик предполагается достигать внедрением различных добавок в композиты и активацией исходного шлака.
Таким образом, на первом этапе работ по разработке научно-технических основ технологии использования отходов металлургического производства (шлаков) в качестве вяжущего при производстве цементных смесей был проанализирован фракционный состав образцов шлака конвертерного. Было установлено, что диаметр частиц шлака усредненной пробы варьируется от 5 до 0,1 мм. Распределение частиц по фракциям довольно равномерное.
Изученный химический состав шлака конвертерного показал высокое содержание оксидов кальция (45,44 %), железа (II) (22,33 %) и кремния (18,11 %). Модуль основности
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
изучаемого шлака составил 2,34, что позволяет отнести его к основной категории. Относительно высокое содержание оксида кремния позволяет предположить, что шлак конвертерный может быть использован в качестве наполнителя при производстве цементных смесей. Значительная доля оксида кальция указывает на хорошие вяжущие свойства шлака.
Анализ прочностных характеристик шлака конвертерного в смеси его с товарным цементом марки М 500 в разных соотношениях позволил выбрать оптимальное содержание шлака в разрабатываемом композите - 80 %.
Работа поддержана грантом Правительства Тульской области.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кашибадзе Н.В. Сухие строительные смеси с использованием сталеплавильных шлаков. Дисс. на соискание ученой степени канд.техн.наук.- Белгород, 2009.- С.57-62.
2. Межгосударственный стандарт. ГОСТ 12536-2014. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава. - Официальное издание. - М.: Стандартинформ. - 2015. - 18 с.
3. Межгосударственный стандарт. ГОСТ 5382-2019. Цементы. Методы химического анализа. - Официальное издание. - М.: Стандартинформ. - 2019. - 69 с.
4. Межгосударственный стандарт. ГОСТ 30744-2001. Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка. - Официальное издание. - М., 2002. - 36 с.
5. Шаталов Г.А. Свойства и технология эффективных строительных композитов с использованием конвертерных шлаков. Дисс. на соискание ученой степени канд.техн.наук.-Липецк, 2014.- С.25.
