Влияние молотого доменного гранулированого шлака ПАО «Северсталь» на прочность бетона
Одним из наиболее распространенных металлургических отходов является доменный гранулированный шлак после помола приобретающий гидравлические свойства. В статье приведены результаты исследования свойств доменного шлака ПАО «Северсталь» (г. Череповец, РФ), а именно химический состав предоставленных образцов шлака, а также результаты его испытаний в составе смешанного вяжущего для бетона.
Введение
В процессе обогащения и выплавки металлов образуются сотни млн тонн технологических отходов (шлаки, шламы и другие). Так, в Российской Федерации, по некоторым оценкам, только сталеплавильных шлаков накоплено свыше 250 млн т. Они занимают площадь около 1,3 тыс. га. Кроме этого, в отвалы ежегодно сваливается около 5…7 млн тонн шлаков [1]. Подобные отходы представляют собой огромную экологическую проблему.
Массовое промышленное использование молотого гранулированного шлака совместно с цементом в качестве компонента вяжущего для бетона началось в первой половине ХХ века.
И в настоящее время молотый доменный гранулированный шлак, наряду с золой уноса и микрокремнеземом является одним из ценнейших отходов для применения в области строительства.
Таблица 1. Химический состав доменных гранулированных шлаков
| Компонент | Содержание масс. % в гранулированном шлаке ПАО «Северсталь» | Содержание масс. % в гранулированный шлак НЛМК | Содержание масс. % в портландцементе марки М500 |
| SiO2 | 37, 28 | 28,83 | 20-23 |
| CaO | 37, 41 | 52,13 | 60-75 |
| MgO | 12,3 | 7,61 | 2-4 |
| Al2O3 | 10,29 | 5,98 | 4-7 |
| Na2O | 0,672 | 1,09 | — |
| K2O | 0,53 | 0,31 | — |
| TiO2 | 0,46 | 2,61 | — |
| MnO | 0,43 | 0,27 | — |
| S | 0,31 | 0,36 | — |
| Fe2O3 | 0,13 | 0,37 | 1-4 |
| SrO | 0,06 | 0,15 | — |
| P2O5 | 0,02 | <0,01 | — |
| ZrO2 | 0,02 | 0,05 | — |
| Co3O4 | 0,01 | <0,01 | — |
| V2O5 | 0,01 | <0,01 | — |
| Cr2O3 | <0,01 | <0,01 | — |
| Nd2O3 | <0,01 | <0,01 | — |
| WO3 | <0,01 | <0,01 | — |
| Ta2O5 | <0,01 | <0,01 | — |
| Nb2O5 | <0,01 | <0,01 | — |
| Sc2O3 | <0,01 | <0,01 | — |
| Y2O3 | <0,01 | <0,01 | — |
| BaO | <0,01 | 0,11 | — |
| CuO | <0,01 | 0,01 | — |
| Cl | <0,01 | 0,01 | — |
Молотый шлак в основном используется:
– в качестве вяжущего совместно с цементом для производства цементного бетона, в т.
– в качестве вяжущего (индивидуального и в составе комплекса с цементом, золой уноса, известью) для укрепления слоев дорожной одежды в дорожном и аэродромной строительстве;
– в качестве наполнителя для производства бетона на битумном вяжущем при строительстве дорожных одежд.
Однако в зависимости от исходного сырья при производстве металлов доменный шлак может иметь переменный химический и фазовый состав. Поэтому использование доменного шлака в строительстве должно предваряться тщательным исследованием его состава, которое дает возможность оценить не только гидравлические свойства шлака, но и устойчивость его структуры к распаду.
В данной статье приведены некоторые результаты исследования свойств доменного шлака ПАО «Северсталь» (г. Череповец, РФ), в частности химический состав предоставленных образцов, а также испытания шлака в составе смешанного вяжущего для бетона.
Химический состав шлака ПАО «Северсталь»
Исследования химического состава было проведено в НИТУ МИСиС с применением рентгенофлюоресцентного метода на рентгенофлюоресцентном спектрометре ARL 9900.
Для исследования образцы шлаков были размолоты в ступке Fritsch в течении 10 мин для последующего прессования на подложке из борной кислоты. В процессе исследования установлено различие составов шлаков, в частности в шлаке, представленном Новолипецким металлургическим комбинатом (далее НЛМК), содержание оксида кальция значительно выше по сравнению с ПАО «Северсталь», что может быть объяснено применением различного сырья. Сравнительный анализ составов шлаков и типичного состава цемента марки М500 показан в табл.1.
Модуль основности шлака, определяемый по формуле (СаО + MgO)/(SiO2), составляет 1,3, т.е. шлак можно отнести к основным (модуль ≥1).
Результаты исследования фазового состава шлака ПАО «Северсталь» приведены в [2].
На основании проведенных исследований химического и фазового составов шлаков предприятий ПАО «Северсталь» и НЛМК сделан вывод об их высоких вяжущих свойствах.
Влияние шлака ПАО «Северсталь» на прочность цементного бетона
Доменный гранулированный шлак ПАО «Северсталь» представляет собой гранулы размером до 5 мм, которые после помола приобретают гидравлическую активность.
Таблица 2. Свойства шлака после помола
Материал | Удельная поверхность, Sуд, см2/г | Средний размер зерен, мкм | Плотность насыпная, кг/м3 | Плотность истинная, кг/м3 | Модуль основности |
Шлак «Северсталь», молотый | 3840 | 6,13 | 960 | 2920 | 1,3 |
Результаты определения влияния молотого шлака на удобоукладываемость бетонной смеси и прочность бетона на сжатие приведены в табл.
3 и на рис.1. Производилась замена 25 и 50% цемента молотым шлаком. Использовались: портландцемент CEM I 42.5 EN 197-1 производства ОАО «Белорусский цементный завод», песок крупный карьер «Минский»; щебень гранитный фр. 5-20 3 группа ПРУП «Гранит». В качестве суперпластификатора применялась поликарбоксилатная добавка «Линамикс ПК тип 1» производства ООО «Полипласт Северо-запад». Бетон твердел в нормально-влажностных условиях. Прочность определялась в соответствии с ГОСТ 10180 [3].
Рис.1. Прочность на сжатие бетона, содержащего в составе вяжущего молотый гранулированный доменный шлак.
Результаты испытаний позволяют сделать следующие выводы:
1. Молотый шлак с Sуд=3840 см2/г снижает водопотребность смешанного вяжущего. С увеличением дозировки данный эффект увеличивается.
2. Введение шлака замедляет набор прочности бетона. Однако уменьшение прочности компенсируется снижением водовяжущего отношения за счет низкой водопотребности вяжущего.
Так, на первые сутки твердения прочность бетона снизилась на 36% и 61% при содержании шлака 25% и 50% соответственно.
3. Прочность бетона со шлаком в возрасте 28 суток превышает прочность бетона контрольного состава на 8…11%.
4. Поликарбоксилатный суперпластификатор «Линамикс ПК» является эффективным разжижителем как для чистых клинкерных, так и для смешанных вяжущих.
Таблица 3. Характеристика составов бетона
| Расход материалов (на сухие заполнители) в кг/м3 | Вода, л | Осадка конуса, см через, минут | В/Вяж / плотность смеси | |||||
| Цемент | Шлак | Песок | Щебень | Добавка «Линамикс ПК» | ||||
| 0 | 90 | |||||||
| 350 | 0 | 870 | 1020 | 0,5% от МЦ (1,75 кг/м3) | 170 | 19 | 18 | 0,49 / 2430 |
| 263 | 87 | 888 | 1045 | 0,5% от МВяж (1,75 кг/м3) | 151 | 22 | 0,43 / 2445 | |
| 175 | 175 | 900 | 1060 | 0,5% от Вяж (1,75 кг/м3) | 144 | 23 | 22 | 0,41 / 2450 |
Заключение
1.
Приведены результаты исследования свойств доменного шлака ПАО «Северсталь» (г. Череповец, РФ), а именно химический состав предоставленных образцов шлака, а также его влияние на прочность бетона при замене части цемента (25% и 50%) на молотый шлак с тонкостью помола Sуд=3840 см2/г.
2. Результаты испытаний позволяют сделать выводы о том, что молотый шлак с Sуд=3840 см2/г снижает водопотребность смешанного вяжущего. Введение шлака замедляет набор прочности бетона. Однако уменьшение прочности компенсируется снижением водовяжущего отношения за счет низкой водопотребности вяжущего. Прочность бетона со шлаком в возрасте 28 суток превышает прочность бетона контрольного состава на 8…11%. Поликарбоксилатный суперпластификатор «Линамикс ПК» является эффективным разжижителем как для чистых клинкерных, так и для смешанных вяжущих.
3. Ранее полученные и приведенные в статье данные позволяют сделать вывод о целесообразности применения шлака производства ПАО «Северсталь» в цементных бетонах.
Библиографический список
1. Б.Б. Хайдаров Разработка энергоэффективной технологии переработки металлургических шлаков / Хайдаров Б.Б., Мазов И.Н., Кузнецов Д.В., Суворов Д.С. // Актуальные научно-технические и экологические проблемы сохранения среды обитания: научные статьи Международн. науч.-практ. конф., Брест 6-8 апр. 2016 г.: в 2-х частях / УО «Брестск. гос. техн. ун-т»; под ред. А.А. Волчека [и др.]. – Брест, 2016. – Ч.II. – 348 с.
2. Н.Н. Калиновская О возможности применения молотого доменного гранулированого шлака ПАО «Северсталь» в цементных системах / Калиновская Н.Н., Аль-Мусави Кадим Абдулвахид Салех, Кузнецов, Д.В. // Проблемы современного бетона и железобетона / Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь; под ред. Лешкевича О.Н. [и др.]. – Минск, 2021.
3. ГОСТ 10180-2012 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам
Источник: www.tehnobeton.ru
Шлак — виды, характеристики, применение в строительстве
Главная » Инструменты и материалы
Шлак – это вторичное сырье, отходы металлургической промышленности или зола от сжигания ископаемых горючих: углей всех видов, горючего сланца, жидкого топлива.
В металлургии – то, что остаётся после выплавки металла из руды. Из шлаков чёрной металлургии получают заполнители для шлакобетонов, шлаковую пемзу, минеральные ваты. Отходы цветной металлургии делятся на передельные и отвальные шлаки.
Гранулированный, или граншлак, получается путём быстрого охлаждения водой горячего шлака в доменном или конвертерном процессе. Имея отличные вяжущие свойства, используется для производства цемента как активная минеральная добавка к нему.
Шлак нельзя рассматривать как простой наполнитель для приготовления бетонных растворов. Он, кроме этой своей функции, несёт ещё одну, которая с течением времени становится всё более важной – экологическую. Если учесть, сколько вредных примесей, от кислот и щелочей до канцерогенных соединений, есть в его составе, связывание его цементными смесями решает задачу его безопасной утилизации.
А при выплавке металла защищающая его шлаковая составляющая предохраняет расплав от воздействия продуктов горения.
Содержание
- Применение шлака в строительстве
- Доменный шлак, щебень из него
- Разновидности шлака
- Характеристики доменного шлака
Применение шлака в строительстве
В строительстве в основном применяется в качестве наполнителей бетонных смесей. Шлак – отходы металлургического производства, как более безопасные по сравнению отходов сгорания угля. Ведь в ископаемом угле (буром, каменном чёрном и антраците) обязательно присутствуют радионуклиды. Их доля в исходном материале невысока, но при сгорании их концентрация резко увеличивается, и в буром и каменном угле доходит до неприемлемых в санитарном отношении величин. Так что ни в бетон стен, ни при возведении бетонированных подвалов, ни для заливки стяжек такой шлак не годится, радиоактивный фон в таких помещениях может оказаться превышающим ПДН.
Гранулированный шлак, идущий в производство цементов с исключительными вяжущими свойствами, позволяет получать очень прочные на разрыв и раскол плиты перекрытий в многоэтажном строительстве.
А граншлак с более крупными фракциями идёт в бетон в качестве заполнителя для получения прочных и лёгких строительных блоков, отличающихся от обычного кирпича износоустойчивостью, небольшим удельным весом, хорошими влаго- и теплоизоляционными свойствами.
Мелкофракционный граншлак (в т. ч. и пылевой) используется как сырьё для получения шлаковаты, а также для изготовления тротуарной плитки, бордюров и брусчатки. Его крошка добавляется в бетонные смеси для их упрочнения, а также для заполнения пустот при строительстве зданий с насыпными стенами.
Присутствие в таких шлаках кальциевых силикатов позволяет применять тонкий помол для смеси с цементом, что даёт такой же эффект при создании конструкций, как и у портландцемента. Применение таких присадок позволяет:
• создавать тяжёлые и особо прочные бетоны классов прочности В15-В30.
• Производить сухие строительные смеси
• Изготавливать плиты перекрытий, ригелей, колонн, бетонных панелей, балок и других предварительно напряжённых строительных конструкций.
• Строить погреба, фундаменты любой степени сложности, которые делаются методом бетонной заливки, осуществлять отливку плит перекрытия и заливку в скользящую опалубку при возведении стен.
Доменный шлак, щебень из него
Являясь отходом доменного производства, такой щебень часто на порядок дешевле крошки из камня, которую нужно добыть, раздробить с помощью сложных и дорогих механизмов, доставить до места приготовления бетонных смесей.
Щебень из доменного шлака в своей кристаллической структуре представлен более чем 20 минералами, среди которых воластонит (однокальциевый силикат), двух кальциевый силикат, мелилит. Наличие кальциевых силикатов и делает продукты переработки этого шлака желанной присадкой для тяжёлых сверхпрочных бетонов.
Преимущества и недостатки
При этом плотность щебня, получаемого из доменного шлака по ГОСТ 3344, выше гранитного, но выше и поглощение воды.
Правда, ниже и морозостойкость. Что ограничивает его применение как основного заполнителя в климатических зонах с суровыми погодными условиями.
Предел прочности на сжатие может варьироваться от 62 МПа у пористого до 140 МПа у медеплавильного. Для сравнения, у гранита этот предел составляет 120 МПа. Но! Самый дешёвый («дешевле только даром») пористый материал очень ограничен в применении, а вот его медеплавильный аналог при прочности больше гранитного, по стоимости почти догоняет его.
Благодаря своей способности поглощать воду доменный шлак находит широкое применение в дорожном строительстве, в котором такая его особенность, как способность быстро высыхать и уплотняться под воздействием содержащихся в нём связывающих веществ, а также способность легко поддаваться трамбовке делает его применение более предпочтительным, чем щебня из гранита.
При транспортировке гранитный щебень перетирается в мелкую пылевую фракцию, негодную к применению, её приходится вымывать или как-то отсеивать.
Шлаковая же пыль служит дополнительным связывающим при использовании, повышая сцепляемость и вязкость конечного продукта.
Шлаковая же пыль служит дополнительным связывающим при использовании, повышая сцепляемость и вязкость конечного продукта.Разновидности шлака
Металлургические
Подразделяются на шлаки цветной и чёрной металлургии. К шлакам чёрной металлургии относятся:
- Доменный шлак, получаемый путём выплавки чугуна из железных руд. Его свойства зависят от режимов плавки, применяемого для получения расплавов топлива и флюсов-присадок.
- Сталеплавильные. Их получают в мартеновском, конвертерном или электросталеплавильном производстве.
- Ферросплавные, Виды ферросплавных шлаков подразделяются на подвиды с преобладанием того элемента, который добавлялся в расплав стали для получения ферросплава, а это может быть кобальт, хром, марганец молибден, кремний и т. д.
Шлаки цветной металлургии: к ним относятся отходы медеплавильного, никелевого, свинцового и цинкового производства.
Фосфорные
Получаются как отходы производства фосфорных удобрений. Используются в производстве пемзы или минеральной ваты. В качестве присадки к цементам добавляют, только если бетонные изделия из такого цемента проходят стадию высокотемпературного пропаривания.
Зольные
Представляют собой остаток от сжигания твёрдого угля и горючих сланцев. В жилищном строительстве практического применения не находят из-за высокого содержания в них радионуклидов, но могут применяться при производстве тротуарной плитки или если применяются как наполнители для асфальтовых смесей, где возможное образования пыли будет связываться смолистыми фракциями. Имеет значение ещё и метод охлаждения этих шлаков сразу после их образования: если охлаждение происходило водой, то есть быстро, образуется стекловидная структура, которая более стойкая, чем микрозернистая, получаемая при медленном, естественном остывании.
Характеристики доменного шлака
Могут отличаться у разных производителей, что связано с особенностями технологических циклов выплавки чёрных металлов.
Разными будут составы как кальцитов, так и силикатов, железа и алюминия в конечном продукте. Условные обозначения шлака, который отправляется как продукт для переработки в строительную индустрию, в зависимости от места производства, выглядят так:
- Н – Новокузнецкий
- Ч – Чусовской,
- Чл – Челябинский,
- Ж – Ждановский,
- Нт – Новотульский,
- Л – Липецкий,
- Кр – Криворожский,
- Д – Днепродзержинский металлургические комбинаты.
| Шлак | SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | MnO | Fe2O3 | SO3 | Z | М осн | Макт |
| Н | 36,5 | 12,65 | 39,85 | 4,0 | следы | 2,3 | 0,16 | 96,46 | 0,82 | 0,35 |
| Ч | 34,76 | 14,65 | 38,64 | 8,07 | » | 1,22 | 0,15 | 97,49 | 0,85 | 0,42 |
| Чл | 37,87 | 11,02 | 39,81 | 5,88 | — | 0,35 | — | 95,83 | 0,93 | 0,29 |
| Ж | 38,34 | 9,05 | 42,21 | 5,4 | — | 1,25 | 0,4 | 96,654 | 1,01 | 0,24 |
| Нт | 38,64 | 8,01 | 47,74 | 1,81 | 1,86 | 0,39 | 2,0 | 100,73 | 1,06 | 0,2 |
| Л | 37,5 | 8,61 | 48,31 | 1,99 | 1,48 | 0,39 | 2,1 | 100,38 | 1,08 | 0,22 |
| Кр | 35, 1 | 10,65 | 48,75 | 1,2 | 1,77 | 1,23 | 1,96 | 99,67 | 1,09 | 0,3 |
| Д | 38,53 | 6,08 | 46,62 | 4,96 | 1,0 | 0,82 | 1,83 | 99,86 | 1,16 | 0,16 |
Приведённый химический состав может зависеть от поступившей на плавку руды, кокса и марки выплавляемого чугуна.
От этих же показателей будет зависеть удельный вес шлака на выходе. Вес также зависит от способа его охлаждения – стекловидный, получаемый охлаждением водой, будет тяжелее и прочнее.
Плотность шлака, в зависимости от состава:
| Оксид | Плотность кг/м³ |
|---|---|
| Кремния | 2260 |
| Кальция | 3400 |
| Магния | 3650 |
| Марганца | 5400 |
| Железа | 5700 |
Рейтинг
( 4 оценки, среднее 5 из 5 )
0 12 123 просмотров
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Шлаковый цемент для доменных печей — производство, свойства и использование.
🕑 Время прочтения: 1 минута
Доменный шлакоцемент представляет собой смесь обычного портландцемента и мелкозернистого доменного шлака, получаемого в качестве побочного продукта при производстве стали с процентным содержанием цемента менее 70%.
Молотый гранулированный доменный шлакоцемент (ШГДШ) представляет собой мелкозернистые стеклообразные гранулы, обладающие вяжущими свойствами.
В этой статье мы обсуждаем производство, состав, свойства, использование, преимущества и недостатки цемента для доменных шлаков. Состав:
- Производство и компоненты доменного шлакоцемента
- Свойства доменного шлакоцемента
- Использование доменного шлакоцемента
- Преимущества доменного шлака цемента
- Недостатки доменного шлака Шлакоцемент
Рис. 1. Извлечение расплавленного шлака из доменной печи.
ГГБФС получают как побочный продукт при извлечении железа из руды. Процесс добычи железа доменный. Шлак, полученный на железной руде, отделяется и медленно охлаждается, что приводит к образованию нереакционноспособного кристаллического материала. Составляющие GGBFS показаны в таблице ниже.Таблица 1: Составные части измельченного гранулированного доменного шлака
| Составляющие | % по массе |
| SiO 2 | 27-39% |
| Алюминий 2 О 3 | 8- 20% |
| СаО | 38-50% |
| MgO | <10% |
Для разных типов конструкций добавляется разный процент GGBFS.Таблица 2: Доля шлака в процентах для различных применений.
| Применение в конструкции | Шлак Доля в % |
| Общее строительство | 20-40 |
| Снижение тепловой гидратации | 50-80 |
| Конструкции, подверженные воздействию хлоридов | 50-81 |
| Конструкции, подверженные воздействию сульфатов | 50-82 |
| Морские конструкции | 60-80 |
5 Недвижимость Рис. 2: Использование шлакового цемента в местах воздействия сульфатов и хлоридов. Рис. 3: Использование шлакового цемента для облицовки канала. Подрядчики нередко упускают из виду использование летучей золы и шлака в своем бетоне. Что такое летучая зола? Проще говоря, летучая зола — это остатки горящего угля. Летучая зола собирается в так называемом мешковом доме. См. диаграмму ниже: Частицы летучей золы имеют сферическую форму и меньше по размеру, чем цемент. Летучая зола может быть активирована только при использовании цемента. Когда цемент вступает в реакцию с водой, образуется известь, которая вступает в реакцию с летучей золой, образуя CSH (гидратированный силикат кальция). CSH – это такой же вяжущий продукт, что и портландцемент. Летучая зола обычно составляет от 15 до 30% цемента при использовании. Поскольку летучая зола мельче, чем портландцемент, она будет заселять даже меньшие пустоты, чем частицы цемента, в которых обычно находится вода. Таким образом, это помогает создать более прочный бетон с меньшей проницаемостью. Требуется меньше воды, чтобы сделать бетон пригодным для обработки, максимизируя прочность при сохранении удобоукладываемости. Хотя время схватывания с летучей золой увеличивается, всего за 28 дней прочность бетона превзойдет такую же смесь без летучей золы. Шлак похож на летучую золу тем, что он мельче стандартного портландцемента, а также дешевле, поскольку является побочным продуктом процесса. Он производится металлургической промышленностью. Шлак образуется при плавлении железной руды. Расплавленное железо опускается на дно, а шлак всплывает на поверхность чугуна. См. диаграмму ниже: Еще одно различие между шлаком и летучей золой заключается в том, что летучая зола редко превышает 35% содержания цемента, а шлак может заменить 50% содержания цемента или даже больше для различных применений. Применение для мухи и шлака может варьироваться Летучая зола представляет собой скорее гладкие частицы, чем грубую и зернистую текстуру шлака. Это помогает в таких областях, как отделка полов. Общие области применения включают заполнение небольших трещин, где может потребоваться смесь низкого качества для проникновения в труднодоступные места. Сборный железобетон часто используется для этого. Другие области могут быть необходимы, когда управление проницаемостью имеет важное значение, например, области, которые будут подвержены высокому использованию соли, такие как дороги и тротуары в северном климате. И, наконец, когда вы просто хотите сократить материальные затраты на бетон. Поскольку цемент является самым дорогостоящим ингредиентом, замена летучей золы или шлака может помочь сохранить более прочную смесь при меньших затратах. Летучая зола и шлак обычно на 18% дешевле, чем портландцемент. Значения Плотность (г/см 3 ) 3,04 Удельная площадь поверхности (см 2 /г) 4050 Время схватывания Исходная настройка 60мин Окончательная настройка 600мин Прочность на сжатие (Н/мм2) 3 дня 23,5 7 дней 36,1 28 дней 62,4 Химический состав (%) Оксид магния 2,88 Триоксид серы 2,19 Потеря зажигания 1,47 
Зачем использовать летучую золу и шлак в бетоне?
Обычно это происходит, когда подрядчик не совсем понимает роль дополнительных вяжущих материалов (SCM) в бетоне. Да, некоторые приложения не поддерживают использование SCM, например, при производстве проницаемого или водопроницаемого бетона. Тем не менее, даже когда SCM является приемлемым вариантом, подрядчики не тратят время на его включение в свой проект смеси.
Это способствует значительной экономии затрат на шлакоцемент.