Бетон из граншлака: состав и пропорции

Бетон из граншлака: состав и пропорции

Доменный шлак частично используют как сырье для изготовления обыкновенного цементного клинкера, шлакового кирпича, шлакобетона и других материалов

Производство цемента из доменных шлаков основано на том, что по своему химическому составу эти шлаки, в особенности основные (богатые окисью кальция), близки к составу обыкновенного портландцемента. Например, химический состав доменного шлака одного из наших металлургических заводов: СаО—50%, MgO—1,5%; SiO2—32%, Аl2О3—13% и т. д.

Определение и описание шлакопортландцемента

Американское общество по испытанию материалов (ASTM C125) определяет доменный шлак как «неметаллический продукт, состоящий в основном из силикатов и алюминатов кальция, полученный вместе с чугуном в доменной печи в виде расплава».

При производстве чугуна в доменную печь загружают железную руду, флюсовый камень (известняк и/или доломит) и кокс. Получаемая на выходе из печи продукция — расплавленный чугун и шлак. Шлак состоит в основном из кварца и оксидов алюминия (от железной руды) и оксидов кальция и магния (от флюсового камня). Из печи шлак выходит в расплавленном состоянии, причем температура расплава может превышать 1480?C (2700?F). Существует четыре основных способа обработки расплавленного шлака: охлаждение воздухом, быстрое охлаждение холодной водой (вспучивание шлака), дробление и помол. При каждом из данных методов обработки получается уникальный шлаковый материал, обладающий отличительными свойствами.

Химические свойства шлакопортландцемента

Основные составляющие доменного шлака — кварц, оксиды алюминия, кальция и магния, на которые приходится 95% всего состава шлака. Остальные 15% — марганец, соединения железа и серы и следовое количество других элементов. Однако, следует отметить, что основные оксиды, входящие в состав шлака не встречаются в свободной форме. В доменном шлаке, охлажденном воздухом, оксиды объединяются в различные силикаты и алюмосиликатные минералы, такие как мелилит, мервинит, волластонит и др., которые также существуют в виде природных пород. В дробленом и молотом шлаках, данные элементы присутствуют в виде стекла. Химический состав шлаков варьируется в очень узких пределах, поскольку все сырье, загружаемое в доменную печь, очень тщательно отбирается и смешивается.

* в основном в виде сульфида кальция

Физические свойства шлакопортландцемента

Физические характеристики шлака, такие как вес, размер частиц, структурные свойства и т.д. различаются в зависимости от метода обработки расплавленного шлака. Соответственно, конечное применение обработанного шлака также различается в зависимости от метода обработки.

В последнее время в России и других странах большое внимание уделяется проблеме использования вторичных ресурсов. Одним из наиболее перспективных направлений утилизации промышленных отходов является использование их в производстве строительных материалов.

Металлургия занимает одно из ведущих мест среди других отраслей промышленности. На основных технологических переделах производства черных и цветных металлов образуются побочные продукты – отходы, химико-минералогический состав и физико-механические свойства которых позволяют считать их ценным сырьем для производства строительных материалов. Основная масса отходов металлургических процессов образуется в виде шлаков.

Шлаки – продукты высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов – топлива, руды, плавней и газовой среды. Трудно, пожалуй, найти другое сырье, которое обладало бы таким множеством ценных качеств и при этом так долго пробивало бы путь к широкому применению в строительной промышленности, как шлак. Во многих районах страны из шлака построены многоэтажные дома, промышленные здания, возведены мосты и плотины, проложены ленты автострад. Из обременительного отхода он становится признанным сырьем строительной промышленности.

Самая ранняя попытка использования доменного шлака относится к 1589 г., когда в Германии из него отливали пушечные ядра. В строительстве шлак стали применять только в 18 веке. В Нижнем Тагиле из шлаковых расплавов начали отливать плиты для ступеней, брусчатку для дорог. В Швеции литые шлаковые камни применялись вместо кирпича для кладки верхней части шахт доменных печей. В России и других странах отвальный шлак использовали в качестве щебня при постройке дорог. В последующие годы ценные свойства шлаков еще больше привлекают внимание ученых и практиков во всем мире к проблеме применения шлаков в строительстве.

Для решения вопросов организации переработки шлаков, использования их, координации научных исследований и опытных работ, в Москве в 1933 г. была создана Всесоюзная контора по шлакопереработке. Во многих странах созданы специальные институты и организации, занимающиеся вопросами использования шлака в строительстве, иногда на базе металлургических заводов: в США – Национальная шлаковая ассоциация, во Франции – Техническая ассоциация по изучению и использованию доменных шлаков, в Канаде — Национальная шлаковая ассоциация, В Англии – Британская ассоциация шлака. Организация переработки шлаков в разных странах неодинакова, что объясняется специфическими условиями каждой страны. В Англии и Германии шлаковую продукцию, получают непосредственно на металлургических заводах, в других странах шлак в жидком состоянии или частично обработанный передают компаниям и специальным фирмам по производству строительных материалов. Необходимо отметить весьма результативные действия Национальной шлаковой ассоциации США, к заслугам которой относится создание шлакоперерабатывающей индустрии. Шлак признан минеральным сырьевым материалом. Переработка шлака в основном осуществляется фирмами, независимыми от металлургов, и только в немногих случаях металлургические компании перерабатывают шлак для своих нужд и продают его [3]. В США, Англии, Германии, Франции воздушно охлаждаемые металлургические шлаки в основном перерабатываются на щебень, применяемый в качестве балласта при строительстве железных дорог, а также используют как заполнитель при сооружении аэродромных покрытий и автомобильных дорог. Асфальтобетонные покрытия с применением шлакового заполнителя характеризуется высокой прочностью, устойчивостью к истиранию, большим коэффициентом сцепления, отсутствием сдвиговых деформаций. Вся продукция шлакопереработки экономически выгодна. Например, шлаковый щебень в 1,5-2 раза дешевле природного и требует в 4,5 раза меньше удельных капитальных вложений. Шлаковая пемза в 3 раза дешевле керамзита и требует в 1,5 раза меньше удельных капитальных вложений.

Основным видом промышленной продукции, производимой на основе металлургических шлаков, является шлакопортландцемент. Впервые гранулированный шлак был применен как добавка при производстве цемента в Германии в 1892 г.

Шлакопортландцемент – это гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое совместным тонким измельчением портландцементного клинкера и гранулированного шлака. Содержание шлака в шлакопортландцементе по ГОСТ 10178-85 должно составлять не менее 21 и не более 60% массы цемента [5]. По американскому стандарту содержание шлака должно составлять от 25 до 65%, по английскому не больше 65%. В Германии стандартизованы два вида шлакопортландцемента: железопортландцемент, содержащий не более 35% шлака, и доменный цемент с содержанием шлака от 31 до 85%. Во Франции выпускаются 4 вида шлакопортландцемента: железопортландцемент с 20–30% шлака, смешанный металлургический цемент с 50% шлака, доменный цемент с 70% шлака и шлако-клинкерный цемент, содержащий не менее 80% шлака. Каждый из этих видов цемента делится на две марки по прочности. В Германии каждый вид шлакопортландцемента имеет три марки по прочности, а в Англии и США – только одну марку, как и обыкновенный портландцемент.

Шлакопортландцементы широко применяются в настоящее время во многих странах для общих строительных работ, для гидротехнических сооружений и для сборных железобетонных изделий (например, бетонные трубы). По прочности они не уступают портландцементу, но нуждаются в более тщательном уходе при повышенных и пониженных температурах.

Исторически сложилось так, что доменные гранулированные шлаки в России и некоторых европейских странах используются преимущественно для производства вяжущих материалов, особенно для производства шлакопортландцемента. В США и Японии они применяются в основном для производства заполнителя. Последнее направление позволяет вовлечь в строительный комплекс значительно большее количество шлака, чем в производство из него вяжущих веществ. Особенно эффективно производство шлакового щебня при использовании технологии придоменной переработки шлака. При этом используется та тепловая энергия, которая была аккумулирована шлаковым расплавом в процессе производства чугуна. Такая технология позволяет достичь значительную экономию топливно-энергетических ресурсов.

В последние годы наблюдается рост шлаковых отвалов вокруг металлургических заводов России. Одной из причин уменьшения использования доменных гранулированных шлаков цементной промышленностью является падение спроса на шлакопортландцемент. В этой связи приобретает большое значение расширение масштабов производства шлакового заполнителя, в том числе шлаковой пемзы, которая является заменителем керамзита, а также литого шлакового щебня для тяжелых бетонов.

Необходимо подчеркнуть, что бетоны с заполнителем из доменных гранулированных шлаков отличаются рядом преимуществ перед традиционными бетонами. Как было установлено в работах доменный шлак в составе портландцементного бетона выполняет функцию активного заполнителя, т.е. его поверхностный слой реагирует с гидроксидом кальция, выделяющимся при гидролизе алита. При этом образуется дополнительное количество гидросиликатов кальция, которые создают чрезвычайно прочную связь заполнителя с цементной матрицей, полностью исчезают капиллярные каналы, которые в результате усадки цементного камня образуются между ним и поверхностью заполнителя. Это приводит к значительному повышению коррозионной стойкости бетона с активным заполнителем по сравнению с традиционными составами в большинстве агрессивных сред, в том числе даже против такого грозного вида химической агрессии, как кислотная. Кроме того, благодаря специфической структуре и отсутствию микрозазоров на границе раздела вяжущего и заполнителя, такие бетоны обладают отличительными физико-механическими характеристиками. Именно этим обусловлено широкое применение бетонов на шлаковом заполнителе в США, Японии и других странах.

В России шлаковый заполнитель используется сравнительно редко, поэтому имеются огромные резервы расширения производства бетонов на шлаковом заполнителе, что позволит приостановить рост шлаковых отвалов в районах расположения металлургических заводов России.

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.

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.

Производство

Доменный щебень, который также называют шлаковым щебнем, получают путем дробления отвального балластного материала, образующегося в ходе технологического процесса на предприятиях горной промышленности. Существует также литой щебень из балластного шлака, который получают путем переработки огненного жидкого расплава. Благодаря изготовлению щебня расширяется сфера применения побочной продукции горнодобывающих производств.

Для изготовления доменного щебня применяется отвальный шлак. Производят щебень из доменного шлака так:

1. В процессе выплавки металла в доменных печах образуется балластный продукт, который в горячем состоянии заливается в специальные емкости и транспортируется в место для отвалов.
2. Шлак затвердевает на открытом воздухе. Для ускорения процесса охлаждения шлака, его поливают технической водой. При резком охлаждении балластный материал трескается и распадается на глыбы различной фракции.
3. Глыбы застившего отвального шлака дробят в специальных дробильных агрегатах, в результате чего получается измельчённый продукт со специфическими свойствами.
4. Далее материал транспортируют на последующее дробление. Сортировка щебня по фракциям осуществляется на виброситах с различным диаметром отверстий.

Негативные качества шлака

Потребитель выделяет некоторые недостатки вторсырья:

• гигроскопичность, материал не подойдет для проведения работ в местах с повышенной влажностью, паводками, обильными осадками, в несколько раз превышающими норму;
• сверхпрочность, из-за которой осуществление прокладки инженерных коммуникаций становится более трудоемким;
• высокая теплопроводность;
• содержание кислоты и серы выше нормы при том, что полное выветривание токсинов происходит через двенадцать месяцев.

Перед тем как окончательно определиться с выбором материала для индивидуального, жилого или промышленного строительства определите достоинства и недостатки этого сырья, ознакомьтесь детальнее со свойствами и применением шлака. Если этот факт для вас не имеет значения, а в приоритете только дешевый материал, то можно сэкономить и приобрести вторсырье.

Способы грануляции

Необходимо знать, что для грануляции отходов производства, то есть шлака, имеются несколько способов, а также устройств, осуществляющих эту операцию. В зависимости от того, какая влажность шлака получается в конечном итоге, и разделяют установки на типы. Бывают установки для мокрой, а также для полусухой грануляции.

Если осуществляется метод мокрой грануляции, то шлак, загружаемый в шлаковозные ковши в раскаленном виде, подается к железобетонным бассейнам, наполненным водой. После этого из ковшей он сливается в эти бассейны по специальным желобам. Небольшое преимущество метода заключается в том, что бассейны разделены на несколько секций. Это позволяет вести процесс охлаждения практически непрерывно. Когда в одну секцию сливается раскаленное вещество, из другой в это же время можно выгружать уже охлажденный доменный шлак. Для отгрузки сырья на заводах имеются грейферные краны, которые подают его сразу в железнодорожные вагоны открытого типа. После этого осуществляется доставка шлака либо на склад, либо сразу к потребителю.

Образование и использование золошлаковых отходов

Рассмотрим подробно процесс на примере теплоэлектростанций, где сырьем выступает измельченный уголь, смешиваемый с мазутом. Выбор основан тем фактом, что основной источник, формирующий золошлаковые отходы – ТЭЦ. Процесс горения сопровождается отделением микрочастиц золы, который уносятся тягой вместе с дымом. При этом, дым и пар образуются органикой, тогда как минеральные компоненты сгорающего топлива оседают в шлак и золу. Не улетевший, тяжелый зольный остаток, оседает на подтопки, сплавляясь между собой, что приводит к формирования отдельных кусков. Далее зола перемешивается со шлаком, образуя золошлаковые отходы, которые транспортируются на хранение в специальные отвалы. При этом, золошлаки сортируются отдельно от недожога – частиц несгоревшего угля.

Отходы тэц – золошлаковые отходы

Переработка золошлаковых отходов практически аналогична использованию самих шлаков. Сфера их реализации включает изготовление:

• различных видов бетона – тяжелого, ячеистого и силикатного;
• строительных составов;
• цементного клинкера;
• керамзита;
• керамического кирпича.

Также золошлаковые отходы применяются при прокладке земляного полотна автомагистралей, изоляционного материала на полигонах ТБО.

Видео – о проблемах накопления и утилизации золошлаковых отходов:

Основные производители утеплителя

Один из производителей шлаковой продукции является «Торговый дом УСК». Эта компания также и реализует утеплитель, выполняет доставку.

Алексинский керамзитовый завод занимается производством и продажей шлака, специализируется большей частью по продаже керамзита. Зачастую реализацией шлака занимаются угольные и металлургические компании, т. к. шлак является отходом производственных процессов и участием этих продуктов.

Таким образом, утепление шлаком имеет много преимуществ. Это недорогой вид утепления, доступный для осуществления своими руками. Материал представлен на рынке, покупка и доставка шлакового утеплителя налажена во многих регионах страны.

Обладая высокими показателями теплопроводности, утепление шлаковыми наполнителями сокращает расходы на строительство за счёт уменьшения основного материала при возведении стен. Этот доступный способ утепления помещений зарекомендовал себя на протяжении многих лет.