Использование побочных продуктов металлургии в строительстве

 

 В основном, шлакопортландцемент  в «холодных» скважинах применяется  для повышения коррозионной стойкости  камня при изоляции агрессивных  пластовых вод.

 

Шлакопесчаный цемент приготавливается путем совместного помола шлака с песком. При этом получаются тампонажные материалы с гаммой разнообразных свойств, обеспечивающие необходимое качество цементирования скважин при различных условиях.

 

 Несмотря на то, что молотый песок обладает большей удельной поверхностью, чем песок естественной крупности, шлаковые растворы, приготовленные с добавлением молотого песка, в отличие от аналогичных цементно-песчаных растворов, не подвергаются интенсивному загустеванию в течение длительного времени после их приготовления. Это обстоятельство имеет большое значение при прокачивании раствора в скважину.

 

 На основе некоторых видов  шлаков и, в частности, феррохромового  можно получать цветные цементы  и пигменты.

 

 Поскольку состав феррохрома строго нормируется, колебания химического состава феррохромового шлака незначительны, что гарантирует стабильность технологического процесса получения цементов и пигментов на основе феррохромового шлака.

 

 Феррохромовый шлак представляет  собой серый порошкообразный материал с высокой дисперсностью, которая объясняется полиморфным превращением Р-двухкальциевого силиката в у-модификацию, сопровождающимся увеличением объема. При этом удельная поверхность шлака равна 2500—2800 см2/г. Данные седиментационного анализа показали, что содержание тонких фракций (размером менее 40 мкм) составляет более 70%.

 

 Учитывая близость химического  состава феррохромового шлака  к портландцементу, наличие в  нем ряда модифицирующих элементов  и оксида хрома — сильного  хромофора, этот вид шлака можно использовать в качестве основного компонента сырьевой смеси для получения цветных цементов, в частности, для получения зеленого цемента и пигментов широкой цветовой гаммы. По своим характеристикам зеленый цемент на основе феррохромового шлака полностью отвечает требованиям ГОСТ. При этом температура обжига цементного клинкера значительно ниже температуры обжига декоративных цементных клинкеров, выпускаемых цементными заводами.

 

Сульфатно-шлаковые цементы — это  гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным тонким измельчением доменных шлаков и сульфатного возбудителя твердения (гипса или ангидрита) с небольшой добавкой щелочного активизатора (извести, портландцемента или обожженного доломита).

 

 Широкое распространение из  группы сульфатно-шлаковых получил гипсошлаковый цемент, содержащий 75—85% шлака, 10—15 дву-водного гипса или ангидрита, до 2% оксида кальция или 5% портланд-цементного клинкера. Высокая активизация обеспечивается при использовании ангидрита, обожженного при температуре около 700 °С, и высокоглиноземистых основных шлаков. По мере уменьшения основности шлаков целесообразно увеличение концентрации извести (от 0,2 г/л СаО для основных шлаков до 0,4—0,5 г/л для кислых).

 

 Разновидностью этой группы  цементов является также шлаковый бесклинкерный цемент, состоящий из 85—90% шлака, 5—8% ангидрита и 5—8% обожженного доломита. Степень обжига доломита зависит от основности шлаков. При использовании основных шлаков обжиг ведут при температуре 800—900 °С до частичного разложения СаС03, а кислых — при температуре 1000—1100 °С до полной диссоциации СаС03 ( 2.5).

 

 Активность сульфатно-шлаковых  цементов существенно зависит  от тонкости измельчения. Высокая  удельная поверхность вяжущих  (4000—5000 см2/г) достигается с помощью  мокрого помола. При высокой тонкости измельчения и рациональном составе прочность этих цементов не уступает прочности портландцемента. Однако недостатком сульфатно-шлаковых цементов является быстрое снижение активности при хранении; характерным для них является связывание повышенного количества воды при гидратации, что вызывает в бетонах значительный сдвиг оптимальных В/Ц в сторону больших значений (до 0,5—0,65). Пониженная пластичность сульфатно-шлаковых цементов обусловливает существенное снижение прочности бетонов на их основе по мере отощения, т. е. увеличения содержания заполнителей.

 

 Оптимальная температура твердения  этих цементов 20—40 °С, при более  низких температурах или более  высоких прочность снижается.

 

 Как и другие шлаковые  вяжущие, сульфатно-шлаковые цементы имеют небольшую теплоту гидратации к 7 сут, что позволяет применять их при возведении массивных гидротехнических сооружений. Этому способствует также их высокая стойкость к воздействию мягких и сульфатных вод. Химическая стойкость сульфатно-шлаковых цементов выше, чем шлакопортландцемента, что делает их применение целесообразным в различных агрессивных условиях.

 

 Сульфатно-шлаковые вяжущие  твердеют сравнительно медленно. Их марки Ml50—М300. В течение  первых 2—3 недель твердения бетоны  на этих вяжущих необходимо предохранять от высыхания. В противном случае поверхностный слой конструкций становится недостаточно прочным.

 

 Для изготовления сульфатно-шлаковых  вяжущих целесообразно применять  основные доменные шлаки с  повышенным (10—20%) содержанием глинозема. Для кислых шлаков желательно, чтобы модуль основности был не менее 0,8 и модуль активности не ниже 0,45. Арматура в бетонах на сульфатно-шлаковых вяжущих при повышенной влажности подвергается коррозии.

 

Известково-шлаковые цементы —  это гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным помолом доменного гранулированного шлака и извести ( 2.6). Их применяют для изготовления строительных растворов и бетонов марок не более М200. Для регулирования сроков схватывания и улучшения других свойств этих вяжущих при их изготовлении вводится до 5% гипсового камня. Цементы более высокого качества можно получить, применяя основные шлаки с повышенным содержанием глинозема и негашеную известь, содержание которой 10—30%.

 

 Известково-шлаковые  цементы по прочности уступают сульфатно-шлаковым. Их марки: М50, М100, Ml50, М200. Начало схватывания должно наступать не ранее чем через 25 мин, а конец — не позднее чем через 24 ч после начала затворения. При снижении температуры, особенно после 10 °С, нарастание прочности резко замедляется и, наоборот, повышение температуры при достаточной влажности среды способствует интенсивному твердению. Твердение на воздухе возможно лишь после достаточно продолжительного твердения (15— 30 сут) во влажных условиях. Для известково-шлаковых цементов характерны низкая морозостойкость, высокая стойкость в агрессивных водах и малая экзотермия.

 

Шлаковые вяжущие для бетонов автоклавного твердения — это продукты тонкого измельчения мартеновских, ваграночных и некоторых других низкоактивных при нормальном твердении шлаков с активи-заторами твердения, которыми служат цемент или известь (10—20%) и гипс (3—5%). Их активность особенно проявляется при тепловлаж-ностной обработке в автоклавах под давлением 0,8—1,5 МПа при температуре 170—200 °С. Прочность при сжатии автоклавированных образцов из пластинных растворов состава 1:3 достигает 20—30 МПа и более. Получают их, в основном, так же как известково- и сульфатно-шлаковые цементы. До дробления и помола из шлаков отделяют с помощью магнитных сепараторов металлические включения. Размалывают вяжущие вещества до остатка на сите № 008 не более 10—15%.

 

 Способностью интенсивно твердеть при автоклавной обработке обладают не только тонкоизмельченные гранулированные, но и отвальные металлургические шлаки. Последние состоят в основном из кристаллических фаз, неспособных твердеть при 20—100 °С. При более высоких температурах они взаимодействуют с водяным паром и образуют гидратные соединения, что сопровождается твердением шлаков. Твердению отвальных шлаков в автоклавах способствует добавка к шлакам химических активизаторов, а также механическая активизация — тонкое измельчение на бегунах, в шаровых и вибрационных мельницах и т. д.

 

 Обширные исследования по  получению и применению автоклавных  материалов на основе металлургических  шлаков проведены в Московском  инженерно-строительном институте  под руководством А.В. Волженского.  Было показано при использовании шлаков различных заводов, что если значения прочности образцов нормального твердения находятся в пределах от 0,8 до 5,8 МПа, то прочность ав-токлавированных образцов изменяется от 12,2 до 36,1 МПа.

 

 В условиях автоклавного  твердения приобретают способность твердеть немолотые шлаки, саморассыпающиеся в результате перехода минерала 2CaOSi02 из |3- в у-форму. Особенностями шлаковых вяжущих автоклавного твердения являются пониженные усадка на воздухе и набухание во влажной среде, высокая стойкость по отношению к мягким и сульфатным водам.

 

Шлакощелочные вяжущие — это  гидравлические вяжущие вещества, получаемые измельчением гранулированных шлаков совместно со щелочными компонентами или затворением молотых шлаков растворами соединений щелочных металлов (натрия или калия), дающих щелочную реакцию.

 

 Шлакощелочные вяжущие предложены  и исследованы под руководст-вом  В.Д. Глуховского в Киевском  национальном университете строительства  и архитектуры.

 

 Для получения шлакощелочных  вяжущих применяют гранулированные шлаки — доменные, электротермофосфорные, цветной металлургии. Необходимое условие активности шлаков — это наличие стекловидной фазы, способной взаимодействовать со щелочами. Тонкость помола должна соответствовать удельной поверхности не менее 3000 см2/г.

 

 В качестве щелочного компонента  применяют каустическую и кальцинированную  соду, поташ, растворимый силикат  натрия и др. Обычно используют  также попутные продукты промышленности: плав щелочей (содовое производство); содощелочной плав (производство капролактама); содопоташную смесь (производство глинозема); цементную пыль и т. п. Использование щелочесодержащих отходов позволяет получать значительные объемы шлакощелочных вяжущих. Оптимальное содержание щелочных соединений в вяжущем в пересчете на Na20 составляет 2—5% массы шлака.

 

 Для шлаков с модулем основности (М0) больше единицы могут применяться  все щелочные соединения или  их смеси, дающие в воде щелочную  реакцию, для шлаков с М0 < 1 только едкие щелочи и щелочные  силикаты с модулем 0,5—2, несиликатные соли слабых кислот и их смеси могут быть использованы только в условиях тепловлажностной обработки.

 

 Высокая активность соединений  щелочных металлов, по сравнению  с соединениями кальция, дает  возможность получить быстротвердеющие, высокопрочные вяжущие. Наличие щелочей интенсифицирует разрушение и гидролитическое растворение шлакового стекла, образование щелочных гидроалюмосиликатов и создание среды, способствующей образованию и высокой устойчивости низко<эсновных кальциевых гидросиликатов. Малая растворимость новообразований, стабильность структуры во времени являются решающими условиями долговечности шлакощелочного камня.

 

 Начало схватывания этих  вяжущих не ранее 30 мин, а  конец — не позже 12 ч от  начала затворения.

 

 По пределу прочности при сжатии через 28 сут шлакощелочные вяжущие подразделяют на марки от М300 до М1200. Для ускорения набора прочности и уменьшения деформативности в вяжущее вводят добавку цементного клинкера (2—6%, масс). Предел прочности при сжатии быстротвердеющего шлакощелочного вяжущего в возрасте 3 сут для марок М400 и М500 составляет не менее 50% марочной прочности, а для марок М600—М1200 — не менее 30 МПа.

 

 Шлакощелочные вяжущие восприимчивы  к действию тепловлаж-ностной  обработки. При температуре пропаривания 80—90 °С цикл обработки может быть сокращен до 6—7 ч, активная часть режима составляет 3—4 ч. Можно значительно снизить и максимальную температуру пропаривания, а также использовать ступенчатые и пиковые режимы обработки.

 

 Контракция шлакощелочных вяжущих  в 4—5 раз меньше, чем у портландцемента, вследствие чего они имеют более низкую пористость, что обеспечивает их высокую водонепроницаемость, морозостойкость, относительно низкие показатели усадки и ползучести. Несмотря на интенсивный рост прочности в ранние сроки твердения, тепловыделение у них невысоко (в 1,5—2,5 раза меньше, чем у портландцемента).

 

 Шлакощелочные вяжущие обладают  высокой коррозионной стойкостью  и биостойкостью. Щелочные компоненты  выполняют роль противоморозных  добавок, поэтому вяжущие интенсивно твердеют при отрицательных температурах.

 

 Исследованиями В.Д. Глуховского,  П.В. Кривенко, Е.К. Пушкаревой, Р.Ф.  Руновой и др. разработан ряд  специальных шлакощелочных вяжущих:  высокопрочных, быстротвердеющих, безусадочных, корро-зионностойких, жаростойких, тампонажных.

 

 Экономическая эффективность  их высока. Удельные капиталовложения  на производство этих вяжущих  в 2—3 раза меньше, чем при  производстве портландцемента, так  как отсутствуют фондо-, капитале- и материалоемкие технологические  операции: не нужны разработка месторождений, подготовка сырья, дробление, обжиг и др. Например, сравнивая затраты на производство шлакощелочных вяжущих марок М600—М1200 и портландцемента марки М600, увидим, что их себестоимость ниже в 1,7—2,9 раза, удельный расход условного топлива—в 3—5, электроэнергии — в 2, приведенные затраты — в 2— 2,5 раза меньше, чем при производстве портландцемента.

 

 

Использование металлургических шлаков в качестве заполпителей

 

 

 Металлургические шлаки являются  значительным резервом обеспече-ния строительной индустрии заполнителями для бетонов. Шлаковые запол-нители по величине насыпной плотности могут быть тяжелыми (ρ > 1000 кг/м3) и легкими (ρ < 1000 кг/м3), а по крупности зерен — мелкими (< 5 мм) и крупными (> 5 мм).

 

Шлаковый щебень. Шлаковый щебень получают дроблением отвальных металлургических шлаков или специальной обработкой огненно-жидких шлаковых расплавов (литой шлаковый щебень). Для производства щебня в основном применяют отвальные шлаки, сталеплавильные (приемлемые для переработки в щебень), а также медеплавильные, никелевые и другие шлаки цветной металлургии.