Вяжущие вещества на основе шлаков электросталеплавильного производства Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.945

А.В. АРТАМОНОВА, инженер,

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова

Вяжущие вещества на основе шлаков электросталеплавильного производства

В настоящее время в условиях сокращения запасов разведанного природного сырья, роста цен на энергоносители, а также усиливающейся антропогенной нагрузки на окружающую среду особое значение приобретает разработка прогрессивных малоэнергоемких технологий производства строительных материалов. Наибольший интерес представляют отвальные металлургические шлаки, в том числе подверженные силикатному распаду, которые в силу недостаточной изученности их свойств, наличия металла и неустойчивости структуры не находят широкого применения в строительстве.

Известно [1, 2], что подобные шлаки, несмотря на близкий к портландцементу химический состав, не обладают вяжущими свойствами, так как имеющиеся в его составе фазы С2S находятся в закристаллизованном состоянии и при взаимодействии с водой не гидратируют. Без дополнительного повышения гидравлической активности получение из них вяжущего невозможно.

При производстве шлаковых вяжущих применимы следующие способы активации: тепловой — пропаривание или автоклавная обработка; химический — введение химических добавок; механический — тонкое измельчение компонентов и повышение дефектности их структуры.

Для активации шлаков применяют измельчители центробежно-ударного действия, в частности измельчи-тельные комплексы КИ, изготавливаемые ЗАО «Урал-Омега», которые позволяют получить частицы изометрической формы, не склонные к агрегации. Измельчающие воздействия при центробежно-ударном помоле приводят не только к интенсивному измельчению шлака, но и к изменению его физико-химического состояния и структуры.

В качестве исходных сырьевых материалов использовали шлаки электросталеплавильного производства (табл. 1): стабилизированный по клинкерной технологии быстрым охлаждением (ШСХ), стабилизированный бором (ШСБ) и самораспадающийся (ШСР).

Шлак ШСР был подвергнут силикатному распаду и представлял собой порошкообразный материал фрак-

ции 0—100 мкм с медианой распределения d5Q=24 мкм, удельная поверхность 300 м2/кг.

Помол шлаков ШСХ и ШСБ производили в измель-чительном комплексе КИ-0,36 также до фракции 0—100 мкм. По дисперсным характеристикам данные шлаки сопоставимы со шлаком ШСР ^5п=24—28), удельная поверхность составляла 298 и 297 м2/кг соответственно.

Минералогический состав определяли методом рентгенофазового анализа. Установлено, что шлак ШСХ характеризуется наличием: бредигит (Р-2СаО • SiO2); ларнит (а-2СаО • SiO2); геленит (2СаО^А12О3^Ю2); периклаз (MgO). Шлак, стабилизированный бором (ШСБ), представлен минералами: (Р-2СаО • SiO2), (а-2СаО • SiO2), майенит (12СаО • 7А1203), (у-2СаО • SiO2), (СаО • 2А1203), (ЗСаО • MgO ^Ю2). Минералогический состав самораспадающегося шлака ШСР представлен в основном минералами у-С^. Кроме того, в шлаке присутствуют также (2Са0-А1203^Ю2), ^О), ф-С^).

В качестве активаторов использовали растворы сульфата алюминия А12^О4)3- 18Н2О, известь СаО и модифицированное гидроксидом натрия жидкое стекло №2О^Ю2 с силикатным модулем Мс=2,93 и плотностью 1200 кг/м3. Результаты влияния вида активатора на прочность шлакового камня после тепловлажностной обработки (ТВО) приведены в табл. 2.

Из табл. 2 следует, что шлаки без активатора не обладают гидравлической активностью; шлак ШСБ обладает незначительной гидравлической активностью (0,8 МПа), что характеризует эти шлаки как неактивные. Наиболее эффективное воздействие из всех активаторов оказывает модифицированное гидроксидом натрия жидкое стекло, что, возможно, обусловлено разрушением кристаллов двухкальциевого силиката С^ ионами кремниевой кислоты, переходом в раствор оксида кальция с последующим его взаимодействием с гелем кремниевой кислоты и образованием нерастворимых гидросиликатов кальция, которые обеспечивают прочность.

Таблица 1

Вид шлака Массовая доля компонентов, % Mo Ma Kk

SiO2 Fe2O3 CaO MgO TiO2 R2O AI2O3 SO3 S- СГ2О3 MnO CaOCB

ШСХ 25 0,6 44,9 12,9 0,22 0,75 14,3 0,6 0,05 0,02 0,1 0,308 1,47 0,57 2,46

ШСБ 23 0,7 41,4 9,1 0,52 0,65 22,5 0,5 0,02 0,06 0,15 0,53 1,11 0,98 3,1

ШСР 27,9 0 49,3 12,5 0,18 0,49 8,7 0,6 0,03 0 0,06 0,635 1,69 0,31 2,51

Таблица 2

Вид шлака Прочность при сжатии шлакового камня, МПа, при затворении

H2O CaO Al2(SO4)3-18H2O Na2O-nSiO2

ШСХ 0 1,25 1,11 34,4

ШСБ 0,8 1,36 4,52 51

ШСР 0 0 0,1 29,5

научно-технический и производственный журнал

Таблица 3

Вид шлака Нормальная густота Сроки схватывания, ч-мин Предел прочности, МПа, в возрасте 28 сут нормального твердения

начало конец при сжатии при изгибе

ШСХ 0,35 0-10 0-15 19,9 4,1

ШСБ 0,34 0-5 0-10 31,3 6,14

ШСР 0,51 0-51 1-38 13,4 3,4

га 35

I

£ 30 25

о

Л 20

£

5 10 15 20 25

Продолжительность твердения, сут

Рис. 1. Кинетика набора прочности шлаковых вяжущих: а -3 - ШСР

6

5

4

3

5 10 15 20 25

Продолжительность твердения, сут предел прочности при сжатии; б - предел прочности при изгибе: 1 - ШСБ; 2 - ШСХ;

Поэтому жидкое стекло является наиболее предпочтительным активатором для шлаков. Свойства шлаковых вяжущих (табл. 3), активированных натриевым жидким стеклом, определяли по стандартным методикам, принятым для портландцемента, в соответствии с ГОСТ 310.1-81*.

Из данных табл. 3 следует, что при использовании жидкого стекла сроки схватывания вяжущих на шлаках ШСХ и ШСБ слишком малы, что не дает возможности качественно формовать смесь, поэтому необходимо замедлять схватывание.

Увеличения сроков схватывания достигали введением в систему гидроксида натрия, который замедляет химическое взаимодействие ионов кремниевой кислоты с оксидом кальция. Оптимальное содержание №ОН, при котором сроки схватывания удовлетворяют стандарту, по экспериментальным данным, составило 6%.

Минеральный состав шлакового камня, по данным термического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии, представлен: Са(ОН)2, СаС03 и 3Са0А1203^Ю22Н20.

Кинетика набора прочности шлаковых вяжущих приведена на рис. 1.

Следует отметить, что шлак, стабилизированный бором, имеет более высокие прочностные характери-

СаО • SiO2• 2Н20,

стики по сравнению со шлаком, стабилизированным быстрым охлаждением. Это объясняется тем, что шлак ШСБ содержит в своем составе майенит (12Са0-7А1203), который быстро взаимодействует с водой. Кроме того, при внедрении в решетку С^ ионов бора изменяется его структура, повышается степень разупорядоченности кристаллов двухкальциевого силиката, что способствует увеличению его гидравлической активности.

Влияние условий твердения на прочность шлаковых вяжущих приведено на рис. 2.

Из рис. 2 видно, что при ТВО происходит значительное снижение прочности шлаковых вяжущих как на шлаке ШСХ, так и на шлаке ШСБ. Это может быть связано с тем, что при ТВО происходит перекристаллизация образовавшихся при гидратации гексагональных гидроалюминатов кальция с образованием наиболее устойчивых кристаллов кубической формы, которая вызывает напряжения в структуре шлакового камня и приводит к снижению прочности [3]. ТВО для данных шлаков проводить нежелательно.

Вяжущее на основе шлака ШСР подвергали автоклавной обработке, которую проводили по режиму: подъем давления — 1,5 ч; выдержка при давлении пара 0,8 МПа — 6 ч; сброс пара — 1 ч. На рис. 3 представлены результаты испытаний полученных образцов вяжущего.

40 35 30 25 20 15 10 5 0

ШСХ

ШСБ

ШСР

Е=

6

5

4

3

2

ч 1

ШСХ

ШСБ

ШСР

Рис. 2. Влияние условий твердения на прочность шлаковых вяжущих: а - при сжатии; б - при изгибе: О - нормальные условия; О - ТВО; О - ТВО+27

научно-технический и производственный журнал ф'ГРОМТ^ J\ilг\i>\*

май 2011

б

а

7

2

0

б

а

7

0

П - нормальные условия; ЦЦ - ТВО; ЦЦ - тВо+27; ^ - автоклав; Щ - автоклав+27

Из рис. 3 видно, что наиболее благоприятным условием твердения для вяжущего на основе самораспадающегося шлака является автоклавная обработка.

Таким образом, проведенные исследования позволили установить, что для всех видов шлаков наиболее эффективной является щелочная активация растворимым натриевым стеклом. Разработано вяжущее марок 200 и 300 для шлаков ШСХ и ШСБ соответственно. Активность вяжущего на основе шлака ШСР составила 13 МПа. Заметное повышение прочностных свойств такого вяжущего дает автоклавная обработка, поэтому его можно рекомендовать для производства бетонов автоклавного твердения.

Результаты исследований показывают, что полученные вяжущие на основе электросталеплавильных шлаков перспективны для использования в бетонах.

Ключевые слова: электросталеплавильные шлаки, гидравлическая активность, вяжущее, двухкальциевый силикат, жидкое стекло.

Список литературы

1. Горшков В.С., Александров С.Е., Иващенко С.И., Горшкова И.В. Комплексная переработка и использование металлургических шлаков в строительстве. М.: Стройиздат, 1985. 272 с.

2. Горшков В.С. Гидратационные свойства анортита и псевдоволластонита // Журнал прикладной химии. 1966. Т. 39. № 2. С. 448-451.

3. Рояк С.М., Рояк Г.С. Специальные цементы. М.: Стройиздат, 1983. 279 с.

Активатор

Активатор-251_

100 ВО

а 60 -

i 40

¡г

20 О

*

5 мин^ ^ ^

* •• у 1 мин.

1 10 100 диаметр частиц мкм

Для пробоподготовки материалов

Лабораторные мельницы "Активатор" для заводских и исследовательских лабораторий.

100

во

чп

М

ft г 10

го

0

Активатор-4М

■ ■ • 2 мин.

■ • у. * ^ 1 мин,

1 10 100 диаметр частиц, мкм

Для наработки небольших партий материалов

Активатор-25

Для помола материалов в ударном, сдвиговом, вихревом режимах

www.activator.ru »

Новосибирск, Софийская 18, оф 107 630056, Новосибирск 56, а/я 141 Факс: 8 (383) 325-18-49 Тел: 8 913 942 94 81 e-mail; belyaev@activator.ru

научно-технический и производственный журнал