CC BY
91УДК 624.155.113
Б.С. ЮШКОВ, канд. техн. наук, С.С. СЕМЕНОВ, инженер (sss84@mail.ru), Пермский государственный технический университет
Применение шлакощелочного бетона для производства свай
На территориях металлургических предприятий годами скапливаются отходы металлургического производства. Один из таких отходов — шлак, который складируется на огромных территориях плодородных земель, отравляя окружающую среду.
В Пермском крае расположено одно из крупных предприятий металлургической отрасли — ОАО «Чусовской металлургический завод» (ЧМЗ); в отвалах накоплено около 10 млн т доменных металлургических шлаков. Ввод в эксплуатацию установки по их переработке с получением шлакового щебня и песка привел к снижению объема размещения доменных шлаков в отвалах.
Шлаковый щебень имеет широкое применение в производстве строительных материалов (бетонов, железобетонных изделий), используется для формирования слоев дорожной одежды [1—3].
В результате экспериментально-теоретических исследований подобраны составы шлакощелочного бетона класса прочности В 15; В 22,5; В 25. В качестве крупного заполнителя бетона использовался шлаковый щебень; мелким заполнителем служил отсев дробления шлакового щебня. В качестве вяжущего применялся шлак молотый, затворенный щелочным водным раствором №ОН+КОН. Расход составляющих компонентов шлакощелочного бетона класса В 22,5 на 1 м3 приведен в табл. 1.
В качестве контрольного выбран бетон на портландцементе и природном щебне. Подбор состава бетона проводился по рекомендациям ГОСТ 27006—86 «Бетоны. Правила подбора состава». Из полученных составов бетона изготовлены образцы-кубы с гранями 10x10x10 см, по 9 штук на каждый состав бетона. Тепловлажностную обработку образцов проводили в лабораторной пропарочной камере по режиму (2+3+6+2) ч при температуре 85оС.
Таблица 1
Наименование компонентов Ед. изм. Количество
Шлак молотый ^уд = 300-350 м2/кг) кг 458,87
Отсев дробления шлака крупностью 0,0015-0,002 м кг 713,8
Щебень шлаковый крупностью 0,005-0,02 м кг 1121,69
Щелочной раствор плотностью 1264,4 кг/м3 л 150
Замена в строительных материалах природных компонентов на промышленные отходы — важный ресурсосберегающий аспект. Так, только для изготовления железобетонных свай на шлаковой основе, необходимых для реализации строительных программ Пермского края, потребуется весь свежий выход доменных шлаков ЧМЗ.
Следует отметить, что решение о применении строительных материалов с добавлением промышленных отходов должно приниматься на основании результатов комплексных экологических и санитарно-гигиенических исследований.
Авторами статьи были проведены эколого-аналити-ческие исследования экологической опасности образцов шлакощелочных бетонов на шлаковом щебне и изделий из них:
— исследованы химический состав, физико-химические свойства шлакового щебня, полученного при обогащении и дроблении шлаков;
— определены состав и рецептура изготовления образцов шлакощелочных бетонов с использованием природного и шлакового щебня в качестве инертного заполнителя;
— на основе данных о химическом составе материалов, входящих в состав образцов бетонов, определены компоненты, подлежащие обязательному контролю;
— проведена оценка потенциальной экологической опасности шлакового щебня, образцов шлакоще-лочных бетонов на природном и шлаковом щебне на основании исследований эмиссии ионов тяжелых металлов в водные модельные среды. Химический состав различных фракций шлакового
щебня ЧМЗ представлен в табл. 2.
По содержанию основных компонентов ^Ю2, А1203, MgO) и физико-механическим свойствам шлаковый щебень подобен гравийному, который широко используется для получения бетонов различной прочности.
Микроэлементный анализ показал присутствие в шлаках меди, цинка, хрома и никеля. Отличительной особенностью шлаков ЧМЗ является высокое содержание соединений титана, магния и ванадия, что связано с сырьевой базой (руда после выплавки титана и магния) и технологией переработки. Сера находится в шлаковом щебне в виде сульфидов кальция и магния.
Складирование, использование и переработка таких шлаков могут сопровождаться миграцией ионов тяжелых металлов в объекты окружающей среды.
Для проведения исследований были приготовлены образцы шлакощелочных бетонов на шлаковом и природном щебне.
Таблица 2
Фракция, мм Массовая доля компонентов, %
Fe FeO SiO2 СаО ТЮ2 МпО А12О3 МдО У205 S
5-20 1,24 2,2 30,14 31,12 8,71 0,57 13,68 11 0,19 1,15
20-40 1,21 1,21 31,04 31,06 8 0,66 14,13 10,97 0,2 1,52
40-70 1,73 1,73 29,11 31,12 9,03 0,75 13,32 11,41 0,23 1,57
52
научно-технический и производственный журнал
ноябрь 2011
10 15 20
25
15
20
25
30
Время, сут Время, сут
Рис. 1. Зависимость выщелачивания ионов ванадия и титана (а), а также железа и марганца (б) из шлакового щебня в дистиллированной воде от времени выдержки: 1 - ванадий (ПДК = 0,001 мг/л); 2 - титан (ПДК = 0,06 мг/л); 3 - марганец (ПДК = 0,01 мг/л); 4 - железо (ПДК = 0,1 мг/л)
24 20 16
12
б
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
5
10
25
30
4 5 6 Время, сут
Рис. 2. Зависимость выщелачивания ионов ванадия и титана (а), а также марганца (б) из шлакового щебня в аммонийно-ацетатном буферном растворе от времени выдержки: 1 - ванадий; 2 - титан; 3 - марганец
15 20 Время, сут
0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0
б
15
Время, сут
30
35 30 25 20 15 10 5 0
- 5 6
- . . ' " '
{гуг
10
15
Время, сут
20
25
30
Рис. 3. Зависимость выщелачивания ионов ТМ из образцов шлакощелочных бетонов в дистиллированной воде (а) и аммонийно-ацетатном буферном растворе (б) на шлаковом и природном щебне от времени выдержки: 1 - ванадий (бетон на шлаковом щебне); 2 - ванадий (бетон на природном щебне); 3 - титан (бетон на шлаковом щебне); 4 - титан (бетон на природном щебне); 5 - марганец (бетон на шлаковом щебне); 6 - марганец (бетон на природном щебне)
б
а
4
а
а
5
Для оценки закономерностей и степени миграции ионов тяжелых металлов в модельные среды были проведены эколого-аналитические исследования образцов шлакового щебня, шлакощелочных бетонов на шлаковом и природном щебне по методике, принятой для санитарно-гигиенической оценки стройматериалов с добавлением промотходов (МУ 2.1.674—97 «Санитарно-гигиеническая оценка стройматериалов с добавлением промотходов»).
В качестве образцов природного щебня при проведении исследований использован базальтовый щебень месторождений Пермского края следующего состава, %: 47,1 - 47,8 SiO2; 13 - 13,7 А1203; 15,2 - 16 Fe2Oз; 1,51 -1,75 ТЮ2; 9,4 - 10,2 СаО; 5 - 5,3 MgO.
В качестве модельных растворов с учетом возможных областей использования шлака (строительство дорог, бетоны) были выбраны дистиллированная вода и ацетатно-аммонийный буферный раствор (рН=4,8), имитирующий агрессивные среды. Опыты проводили в статическом режиме в течение 30 суток при соотноше-
нии шлак:раствор - 1:2. Отбор проб для исследования водных вытяжек проводили через 1, 3, 5, 7, 10, 20, 30 сут выдержки материала в воде и аммонийно-ацетатном буферном растворе. Определение содержания металлов в отобранных пробах растворов проводили в аккредитованных лабораториях по утвержденным методикам (ПНД Ф 14.1:2.4.135-98 «Методика выполнения измерений массовых концентраций металлов методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-АЭ) в питьевой, природной, сточных водах и атмосферных осадках»; ПНД Ф 14.1:2.50-96 «Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации общего железа в природных и сточных водах фотометрическим методом с сульфосалициловой кислотой»).
Результаты исследования эмиссии тяжелых металлов в дистиллированную воду представлены на рис. 1.
Установлено, что кривые выщелачивания тяжелых металлов имеют ярко выраженный экстремальный характер, снижение содержания ионов тяжелых металлов
научно-технический и производственный журнал
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Ши
II
Г ГШ пп п
ш
1 3 5 7 10 20 30
Время, сут
Рис. 4. Зависимость выщелачивания ионов ванадия из образцов шла-кощелочных бетонов и шлакового щебня в дистиллированной воде от времени выдержки: □ - шлаковый щебень; □ - бетон на шлаковом щебне; □ - бетон на природном щебне
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
5 7 10 Время, сут
20
30
Рис. 5. Зависимость выщелачивания ионов титана из образцов шлако-щелочных бетонов в дистиллированной воде от времени выдержки: □ - бетон на шлаковом щебне; □ - бетон на природном щебне
в модельных средах отмечено через 5 сут. Характер полученных зависимостей можно объяснить кинетическими особенностями процесса. В первый период обработки происходит выщелачивание ионов тяжелых металлов из поверхностных слоев образца, затем процессы замедляются в результате диффузионных затруднений извлечения ионов тяжелых металлов из объема образца.
Сопоставление содержания ионов тяжелых металлов, выщелачиваемых из шлакового щебня, с их ПДК в воде водоемов рыбохозяйственного назначения позволило определить, что содержание тяжелых металлов в водной вытяжке из шлакового щебня превышает установленные ПДК, поэтому использование шлакового щебня в дорожном строительстве для формирования слоев дорожной одежды нецелесообразно без проведения дополнительных мероприятий, предотвращающих доступ влаги к шлаковому щебню. Несоблюдение указанных рекомендаций повлечет за собой эмиссию токсичных тяжелых металлов в почву и грунтовые воды.
Результаты исследования эмиссии тяжелых металлов в аммонийно-ацетатный буферный раствор показали, что выщелачивание тяжелых металлов из образцов шлакового щебня в аммонийно-ацетатный буферный раствор происходит по экспоненциальной зависимости (рис. 2). Через 30 сут доля экстрагированных из шлакового щебня ионов железа составила 9,6%; марганца — 4,9%; ванадия - 0,27%.
Для определения потенциальной экологической опасности шлакощелочных бетонов, изготовленных на основе шлакового щебня, были проведены исследования эмиссии токсичных тяжелых металлов (ванадий, титан, марганец) в водные среды (дистиллированную воду и аммонийно-ацетатный буферный раствор) и их сравнение со стандартными образцами бетонов. В экспериментах использовали образцы шлакощелочных бетонов на шлаковом и природном щебне марки В 22,5 (рис. 3).
Выщелачивания ионов железа из шлакощелочного бетона на шлаковом и природном щебне в дистиллированной воде не выявлено. Кривые выщелачивания тяжелых металлов из всех образцов проходят через экстремум, концентрации ионов в воде практически одинаковые.
Интенсивность выщелачивания ионов ванадия и железа (рис. 4); ионов титана (рис. 5) из образцов шлако-щелочных бетонов на шлаковом и природном щебне в дистиллированной воде находятся на одном уровне.
Сопоставление содержания ионов тяжелых металлов, выщелачиваемых из образцов шлакощелочного бетона на шлаковом щебне, с ПДК в воде водоемов рыбохозяйственного водопользования позволило определить, что содержание тяжелых металлов в водной вытяжке ниже установленного ПДК.
Интенсивность выщелачивания ионов тяжелых металлов из шлакощелочного бетона на шлаковом щебне в аммонийно-ацетатном буферном растворе несколько выше, чем из шлакощелочного бетона на природном щебне (в 1,1 — 1,3 раза на 7-е сут и в 1,2 — 1,3 раза на 20-е сут). Особо следует отметить значительное выщелачивание ионов тяжелых металлов из образцов шлакощелочных бетонов на природном щебне. Установлено, что содержание ионов тяжелых металлов, выщелачиваемых из образцов шлакощелочного бетона на шлаковом щебне, ниже ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения. Таким образом, потенциальная экологическая опасность шлакощелочных бетонов на шлаковом щебне сопоставима с экологической опасностью образцов шлакощелочных бетонов, полученных с использованием природного щебня.
Чтобы доказать возможность применения шлакоще-лочного бетона на шлаковом щебне в производстве свай, необходимо было установить, как развивается коррозия в арматуре при взаимодействии со шлаком. Для этого провели исследование, суть которого заключалась в следующем. Были взяты два круглых (020 мм) образца металлического проката, которые поместили в одинаковые емкости объемом 1,5 л. В одну емкость положили образец металла и засыпали шлаковым щебнем объемом, равным емкости; в другую емкость с образцом металла засыпали природный щебень. Обе емкости залили до краев водой и закрыли герметично крышками. Через десять месяцев образцы металла достали и осмотрели. На обоих образцах были видны ничем не отличающиеся слабые следы ржавчины, что указывает на одинаковые по скорости процессы коррозии металла в среде со шлаковым и природным щебнем.
После подбора оптимального состава шлакощелоч-ного бетона на шлаковом щебне и исследования свойств этого бетона были изготовлены сваи. Всего свай из шлакощелочного бетона на шлаковом щебне изготовили по 4 шт.: 11, 10, 8, 7, 5 м длиной.
На различных строительных площадках с различными грунтовыми условиями указанные сваи подверглись динамическим испытаниям согласно СНиП 3.02.01—87
0
3
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
54 ноябрь 2011 ~ Ы ®
Таблица 3
Вид грунтов Толщина напластования, прорезаемая сваями, не менее, м
Глина твердая 0,21 < ^ < 0 2
Глина тугопластичная 0,33 < ^ < 0,5 6
Глина мягкопластичная 0,5 < ^ < 0,6 10
Суглинок мягкопластичный 0,49 < ^ < 0,75 10
Глина полутвердая 0,13 < ^ < 0,25 3
Гравийный грунт 0,33 < е 2
Песок пылеватый 0,68 < е 6
Песчано-гравийная смесь 0,57 < е 3
Песок 0,55 < е 5
Таблица 4
Вид грунтов основных слоев основания Вид грунта прослойки Глубина залегания подошвы прослойки, не более, м Прорезаемая толщина прослойки, не более, м
Глинистые грунты мягкопластичной и текучей консистенции толщиной до 11 м Глина 0,21 < ^ Гравийный грунт 0,33 < е 3 4
Глины твердопластичные толщиной до 6 м Пески пылеватые 0,68 < е Песчанно-гравийная смесь 0,57 < е 4 3 3 2
Пески средней плотности толщиной до 5 м Глина 0,49 < ^ < 0,75 Глина 0,21 < ^ 2 3 1 0,5
«Земляные сооружения, основания и фундаменты». Средний отказ от одного удара по всем площадкам составил от 0,1 до 0,2 см. При этом сколы в голове сваи были незначительные и не уменьшали поперечное сечение свай более чем на 5%. Трещин при осмотре не было обнаружено.
На основании динамических испытаний, учитывая грунтовые условия строительных площадок, установили область применения свай по возможности их ударного погружения в однородные (табл. 3) и неоднородные (табл. 4) грунтовые напластования.
Полевые испытания свай из шлака показали их стойкость к разрушениям. О целесообразности применения свай из шлака говорит и то, что стоимость отходов промышленного производства на порядок ниже стоимости природных строительных материалов.
В настоящее время в Российской Федерации вопрос об утилизации отходов промышленности не является приоритетным. Огромные запасы природных ресурсов дают возможность пока не заниматься отходами. Так будет не всегда. Рано или поздно вопрос утилизации отходов станет основным и потребует решения.
Исследования, проведенные на кафедре оснований, фундаментов и мостов Пермского государственного технического университета, показали возможность использования металлургического шлака в изготовлении свай.
Ключевые слова: шлакощелочной бетон, металлургический шлак, материал сваи, шлакощелочное вяжущее, шлаковый щебень.
Список литературы
1. Пугин К..Г, Вайсман Я.И., Юшков Б. С., Максимович Н.Г. Снижение экологической нагрузки при обращении со шлаками черной металлургии. Пермь: Перм. гос. техн. ун-т, 2008. 315 с.
Пугин К.Г. Металлургический шлак в дорожном строительстве // Проблемы и перспективы развития Евроазиатских транспортных систем: Мат. Между-нар. научн.-практ. конф. 12—13 мая 2009 г. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2009.
Юшков Б.С., Брызгалов С.В. Несущая способность свай из бетона на шлаковом щебне при действии горизонтальных нагрузок // Мат. всероссийской научно-технической конференции «Автотранспортный комплекс — проблемы и перспективы, экологическая безопасность». Пермь. 26—27 апреля 2007 г. С. 77-81.
ПОДПИСКА
и О О 'IС V Т о п и и и и~1 ММ Л11-1 I I I ......ли
о с о г I м.п и-1 Ы'Ии
журнала «Строительные материалы»®
научно-технический и производственный журнал
