CC BY
60
УДК 666.972
ЦЕМЕНТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШЛАКОВ ОКИСЛЕННЫХ НИКЕЛЕВЫХ РУД ОАО «УФАЛЕЙНИКЕЛЬ» В КАЧЕСТВЕ АКТИВНОЙ МИНЕРАЛЬНОЙ ДОБАВКИ
Д.Е. Синицын
CEMENTS WITH USAGE OF SLAGS OF OXIDIZED NICKEL ORES OF ОАО “UFALEYNIKEL” AS AN ACTIVE MINERAL ADMIXTURE
D.E. Synytsyn
Рассмотрена возможность применения молотых шлаков окисленных никелевых руд ОАО «Уфалейникель» в качестве активной минеральной добавки в составе портландцементов. Доказано, что добавка шлака в составе вяжущего не приводит к снижению прочности цементного камня при оптимальных его дозировках. Проведены долгосрочные испытания, из которых видно, что цементный камень с добавлением шлака не снижает свои прочностные показатели.
Ключевые слова: вяжущее, цемент, шлак, активная минеральная добавка, прочность при сжатии, контрольные образцы.
The possibility of usage of ground slags of oxidized nickel ores of ОАО “Ufaleynikel” as an active mineral admixture in the formulation of Portland cement is considered. It is proved that the addition of slag to the formulation of bonding substance does not lead to the degradation of set strength retrogression by its optimum dosages. Long-term tests proving that cement stone with addition of slag does not reduce its strength properties are conducted.
Keywords: bonding substance, cement, slag, active mineral admixture, compression strength, check samples.
Деятельность добывающих и перерабатывающих отраслей промышленности вызывает образование и дальнейшее накопление огромных количеств различных отходов [1], которые создают серьезные проблемы в области защиты окружающей среды и сохранения природных ресурсов.
Использование вторичных ресурсов и, прежде всего, промышленных отходов чрезвычайно важно по ряду причин - это обеспечивает производство богатым источником дешевого и часто уже подготовленного сырья; приводит к экономии капитальных вложений, предназначенных для строительства предприятий добывающих и перерабатывающих сырье, и повышению уровня их рентабельности, высвобождению значительных площадей земельных угодий и снижению степени загрязнения окружающей среды, экономии тепловой энергии и т. д. Поскольку объем промышленных отходов постоянно возрастает [1], последовательное повышение уровня их использования становится важнейшей общегосударственной задачей.
Производство вяжущих материалов относится к наиболее эффективным областям применения металлургических шлаков. Без корректировки состава гранулированный шлак медно-никелевого производства, хотя и не обладает способностью к
самостоятельному твердению, но может служить активным компонентом в составе вяжущего.
В данной работе использовались следующие материалы: шлак окисленных никелевых руд ОАО «Уфалейникель», портландцемент ПЦ 400-Д20 Коркинского цементного завода.
По данным рентгенофазового анализа основная масса гранул шлака окисленных никелевых руд представлена магнезиально-железистым стеклом, содержащим в небольших количествах кристаллы оливина, сульфиды (капли штейна) и эмульсионную вкрапленность магнетита [3]. Оливин, содержание которого составляет около 5... 10 %, встречается в стекле в виде короткопризматических и игольчатых кристаллов. Сульфиды (капли штейна) образуют округлые, линзовидные и неправильные обособления с четкими границами. Химический состав данного материала представлен в табл. 1.
Портландцемент ПЦ400-Д20 по ГОСТ 10178 производства Коркинского цементного завода обладает следующим минералогическим составом цементного клинкера: С38 - 58.. .60 %; С3А - 5,5.. .7,0 %.
Химический состав цемента приведен в табл. 2.
Нормальная густота цементного теста - 23,87 %.
Сроки схватывания: начало — 1 ч 39 мин; конец - 3 ч 04 мин.
Синицын Д.Е.
Цементы с использованием шлаков окисленных никелевых руд ОАО «Уфалейникель» в качестве активной минеральной добавки
Таблица 1
Химический состав шлаков окисленных никелевых руд
Содержание основных окислов, %
Si02 > о Fe203 FeO CaO MgO R20 S02 Остальное
33,4 3,4 2,1 46,6 11,2 1,7 0,6 0,3 0,7
Таблица 2
Химический состав цемента
Химический состав цемента, % ППП, %
Si02 ai2o3 Fe203 CaO MgO S03 CaOCB r2o
21,38 5,55 3,92 62,44 1,25 2,65 0,35 0,70 1,11
Для изучения влияния добавки молотого шлака окисленных никелевых руд ОАО «Уфалейникель» в качестве активной минеральной добавки в составе портландцемента, его размалывали в лабораторном виброистирателе. Остаток на сите 008 составлял около 6,5 %, что соответствует удельной поверхности рядовых портландцементов.
При изучении влияния добавки молотого шлака окисленных никелевых руд на свойства портландцемента изменяли его процентное содержание. Количество добавки варьировалось от 0 до 100 % по массе. На полученном вяжущем определяли изменение нормальной густоты теста в зависимости от содержания добавки молотого шлака, а так же кинетику набора прочности образцов цементного камня. Испытания прочностных показателей включали данные полученные после испытания образцов, твердевших в течение продолжительного времени - два года.
В результате проведенных опытов было установлено, что введение в состав портландцемента молотого шлака окисленных никелевых руд приводит к снижению нормальной густоты теста. Кривая изменения нормальной густоты цементного теста в зависимости от дозировки молотого шлака приведена на рисунке. Уменьшение нормальной густоты теста, по-видимому, можно объяснить стекловидной структурой шлаков.
Прочностные свойства комплексного вяжущего, состоящего из смеси портландцемента и молотого шлака окисленных никелевых руд изучали на образцах-кубиках размером 20x20x20 мм. За-
формованые образцы подвергали тепловлажностной обработке по режиму 80С (2+6+12). Дальнейшее твердение образцов происходило в камере нормального твердения.
Содержание молотого шлака в составе вяжущего, %
Изменение нормальной густоты цементного теста в зависимости от содержания молотого шлака
Из цементного теста нормальной густоты и молотого гранулированного шлака окисленных никелевых руд были заформованы образцы-кубики. Содержание шлака варьировалось от 0 до 100 %.
По результатам проведенных исследований были получены следующие зависимости набора прочности цементного камня (табл. 3).
Как видно из табл. 3, прирост прочности про-
Таблица 3
Кинетика набора прочности образцов с добавлением молотого шлака окисленных никелевых руд
Сроки твердения, сут Прочность при сжатии, МПа
Содержание шлака в составе вяжущего, %
100 80 60 40 20 0
1 1,7 32,6 39,5 57,5 65,7 68,7
3 2,4 30,6 40,0 63,8 51,0 54,3
7 2,5 33,4 42,5 71,4 69,4 90,8
28 3,7 31,8 55,2 77,3 78,9 89,5
800 4,5 44,3 57,7 83,7 85,4 95,5
Серия «Строительство и архитектура», выпуск 7
29
Строительные материалы, изделия и конструкции
должается в течение двух лет. Для различных дозировок молотого шлака прирост прочности составил до 40 %. Оптимальное содержание шлака в составе вяжущего с позиции получения наибольшей прочности и максимальной экономии цемента находится в интервале 30...40 %.
Механизм гидратации шлаковых стекол заключается в проникновении в стекло отрицательно заряженных гидроксильных ионов, нарушающих электростатическое равновесие системы и приводящих к разрушению шлака [2]. При обычных условиях без активизирующих добавок гидратации препятствует образование на поверхности частичек стекла пленок гидратированного кремнезема. Разрушению этих пленок и обнажению новых поверхностей шлаковых зерен способствует введение в водный раствор щелочных соединений и сульфатов, содержащих ионы Са2+, (ОН)- и (БОг)2-. При щелочной активизации гидратированный кремнезем связывается в гидросиликаты и гидроалюмосиликаты кальция, при сульфатной - сульфат кальция непосредственно взаимодействует с глиноземом, гидратом окиси кальция и водой с образованием гидросульфоалюминатов. Эффект щелочной и сульфатной активизации увеличивается с повышением основности шлаков. При сульфатном возбуждении активность шлаков растет также по мере увеличения их алюминатности. Роль щелочных активизаторов могут выполнять известь, щелочи, сода и другие соли щелочных металлов и слабых кислот, портландцемент, а сульфатных - двуводный или полуводный гипс, ангидрит, сульфат натрия.
В результате проведенных исследований выявлено, что добавление молотого шлака в состав
портландцементов, при оптимальных дозировках, не приводит к значительному уменьшению прочности цементного камня по сравнению с бездоба-вочным цементным камнем. Установлены зависимости набора прочности цементного камня при различных дозировках добавки. Проведены долгосрочные испытания в которых показана кинетика набора прочности цементного камня с добавлением молотого шлака в течение длительного периода времени.
Применение молотых шлаков окисленных никелевых руд в качестве активной минеральной добавки приведет к экономии клинкера при производстве вяжущего, сокращению себестоимости производства цемента, а так же сокращению шлаковых отвалов.
Литература
1. Трамбовецкий, В.П. Использование промышленных отходов в строительстве / В.П. Трамбовецкий // Бетон и железобетон. - 1980. -№ 8. -С. 29-30.
2. Заровнятных, В.А. Экономическая эффективность использования никелевых ишаков в условиях Заполярья / В.А. Заровнятных, Г.Л. Рабченюк, А.Л. Розовский // Промышленность строит, материалов: научно-технич. реф. сб. ВНИИЭСМ. Сер. 11. Охрана окружающей среды. — М., 1982. -Вып. 3. - С. 145-159.
3. Гуревич Б.И., Добрынина Н.Г. Гранулированные никелевые шлаки как заполнитель для бетонов и растворов / Б.И. Гуревич, Н.Г. Добрынина // Строительные и технические материалы из минерального и техногенного сырья Кольского полуострова. -Л., 1979. - С. 33—36.
Поступила в редакцию 22 сентября 2008 г.
Синицын Дмитрий Евгеньевич. Аспирант кафедры «Строительные материалы» Южно-Уральского государственного университета.
Область научных интересов: утилизация побочных продуктов промышленности; морозостойкость бетона; дисперсное армирование бетонов; формирование структуры бетонов с максимально плотной упаковкой зерен.
Dmitry Е. Synytsyn. Post-graduate student of the Constructional Materials department of South Ural State University.
Scientific interests: utilization of the by-products of industry; freeze resistance of concrete; disperse reinforcing of concrete; concrete structure formation with the closest-packed structure of kernels.
