Разработанные нами минеральношлаковые вяжущие [1, 2, 3, 5], состоящие из бинарных компонентов, а именно из дисперсных горных пород и малоактивных в щелочной среде слабо или активных высокоосновных шлаков, позволяют получать достаточно прочные композиционные вяжущие в нормальных условиях твердения и высокопрочные вяжущие - при термовлажностной обработке и последующем сухом прогреве. Дисперсные горные породы при этом могут быть кислыми (силициты, песчаники), основными (известняки и доломиты) осадочного происхождения или ультракислыми, кислыми или основными алюмосиликатного состава (граниты, сиениты, диориты, базальты, диабазы и т. п.), вулканогенного происхождения. Механизм их твердения позволил высказать рабочую гипотезу: кислые или малоосновные, не твердеющие с малыми добавками щелочных активизаторов в смеси с основными или с высокоосновными гранулированными шлаками могут формировать прочные и высокопрочные вяжущие. При этом в таких смесях проявляется синергетическое действие, и парциальная прочность может не соответствовать правилу аддитивности.
Для проверки этой гипотезы использовали отвальный и гранулированные шлаки с близкими значениями МА и МО (табл. 1). С целью получения необходимой дисперсности шлаки подвергались помолу в лабораторной шаровой мельнице до, практически, равной удельной поверхности по прибору ПСХ-2.
В качестве исходных материалов для проведения экспериментов использовали отвальный шлак Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК) с удельной поверхностью Sуд = 358 м2/кг и гранулированные Нижнетагильского металлургического комбината (НТ ) с Sуд = 352 м2/кг и Липецкий с Sуд = 356 м2/кг. Для сравнения использовали композиционные вяжущие из смеси Нижнетагильского и Оскольского шлаков (НТ+ОЭМК) в соотношении 1:1,5 по массе, смеси шлака ОЭМК и глауконитового песчаника (Sуд = 630 м2/кг) в соотношении 1:1,5 (ОЭМК+ГП) и смеси Нижнетагильского шлака с глауконитовым песчаником (ГП) в том же соотношении (НТ+ГП).
В качестве активизатора твердения шлаков использовали водный раствор NaOH, при расходе щелочи 2 % от массы вяжущего в пересчете на сухое вещество.
В процессе исследований изготавливались методом прессования при давлении 25 МПа образцы-цилиндры диаметром и высотой 25 мм из индивидуальных шлаков и их смесей. Формовочная влажность смесей составляла 14-16 % при содержании 2 % NaOH от массы сухих компонентов. Образцы после формования твердели над водой при относительной влажности воздуха 95-97 % (табл. 1).
Таблица 1
Химический состав шлаков и модули
Вид шлака |
Химический состав, % |
MОmax _____ MОmin |
MАmax ______ MАmin |
||||||||||
CaO |
SiO2 |
Fe2O3 |
FеO |
MgO |
MnO |
Cr2O3 |
Al2O3 |
S |
K2O |
TiO2 |
|||
ОЭМК, отвальный |
40,0-44,3 |
20,0-26,2 |
7,0-7,9 |
- |
9,5-12,0 |
0,5-0,6 |
0,1-0,2 |
10-13 |
- |
- |
- |
1,65/ 1,18 |
0,5/0,49 |
Нижне- Тагиль- ский гранулированный |
34,5-36,3 |
30,9-31,1 |
0,93-1,63 |
- |
9,4-11,7 |
- |
- |
13,0-14,02 |
- |
0,4-0,55 |
5,1-6,2 |
1,07/ 0,95 |
0,45/ 0,42 |
Липецкий гранулированный |
40,5 |
38,1 |
- |
0,5 |
9,4 |
0,6 |
- |
9,52 |
0,65 |
0,15 |
0,5 |
1,04 |
0,24 |
Как следует из табл. 2, шлаки ОЭМК и НТ, имея близкие значения модулей активности (МА) и отличающиеся на 20-40 % по модулю основности (МО) отличаются десятикратно по прочностным показателям затвердевшего камня через 28 суток нормального твердения. Скорость формирования прочности шлакового камня из шлака ОЭМК в индивидуальном виде очень низка. Нижнетагильский шлак обладает высокой интенсивностью твердения камня и одинаковой нормированной прочностью через 28 суток с затвердевшим Липецким шлаком. Смесь шлаков НТ и ОЭМК, в которых доля, практически, не твердеющего шлака в 1,5 раза выше, чем высокоактивного, формирует удовлетворительную раннюю прочность, а нормированная прочность достигает 39 МПа.
Таблица 2
Показатели плотности и прочности индивидуальных шлаков и их бинарных смесей
№ |
Шлак |
NaOH, % |
В/Ш, % |
ρ, кг/м3 |
Прочность, МПа, через |
||||
1 сут. |
3 сут. |
7 сут. |
14 сут. |
28 сут. |
|||||
1 |
ОЭМК |
2 |
16 |
2118 |
1,1 |
3,6 |
4,0 |
6,8 |
6,8 |
2 |
НТ |
2 |
16 |
2225 |
18,4 |
35,0 |
45,4 |
50,8 |
68,0 |
3 |
НТ+ОЭМК |
2 |
16 |
2150 |
8,4 |
19,4 |
31,6 |
38,0 |
39,1 |
4 |
Липецкий (Л) |
2 |
14 |
2200 |
22,1 |
31,8 |
38,6 |
49,6 |
70,3 |
5 |
ОЭМК+ГП |
2 |
16 |
2107 |
0,8 |
1,0 |
1,6 |
1,9 |
3,0 |
6 |
НТ+ГП |
2 |
16 |
- |
1,2 |
1,6 |
1,8 |
- |
4,7 |
7 |
Л+ГП |
2 |
14 |
2115 |
13,0 |
25,0 |
- |
- |
40,8 |
Если рассчитать по правилу аддитивности прочность смеси НТ+ОЭМК шлаков, то она равна 31,3 МПа (RСЖ =6,8·0,6+68·0,4=31,3), т.е. прочность фактическая не подчиняется расчетной по правилу пропорциональных отношений компонентов. Можно полагать, что с уменьшением доли малоактивного шлака ОЭМК в смеси прочностные показатели будут возрастать.
Представляет интерес сравнить прочностные показатели вяжущих на молотом глауконитошлаковом песчанике в композициях с двумя шлаками, неактивном отвальном и высокоактивном гранулированном. Образцы из этих шлаков практически не твердеют, и к 28 суткам их прочность находится в пределах 3-5 МПа. Для смеси шлака ОЭМК с глауконитовым песчаником низкая прочность совершенно естественна, потому что глауконит и отвальный шлак в чистом виде практически не твердеют с 2 % щелочи. Мы не нашли объяснения из этой серии опытов, почему НТ в смеси с ГП ведёт себя индифферентно, в то время как в индивидуальном виде прочность шлакового камня высока? В то же время смесь гранулированного Липецкого шлака с глауконитовым песчаником хорошо совместима и при соотношении их 1:1,5 она затвердевает через 28 суток нормального твердения до прочности 30-40,8 МПа.
Проведенные исследования убедительно свидетельствуют о возможности использования неактивных шлаков в смеси с молотым гранулированным активным, что чрезвычайно важно для металлургических комбинатов, имеющих в качестве побочных продуктов доменные и сталелитейные отвальные шлаки, а также гранулированные чугунолитейные. В то же время вид шлака и минерального наполнителя играет существенное значение в формировании прочности композиционных минеральношлаковых вяжущих. В связи с этим выбору шлака и горной породы при создании минеральношлаковых вяжущих должно уделяться самое серьезное внимание, и такие смеси должны подвергаться экспериментальной проверке. Такая экспериментальная проверка связана с тем, что химический состав оксидов далеко не полностью предопределяет вещественный состав минеральных соединений шлаков и гидратных новообразований его. Шлак является чрезвычайно «грязной» системой, которая включает до 30 элементов Периодической системы Д.И. Менделеева, в том числе следовых. Некоторые из соединений, присутствующих в небольшом количестве, могут оказывать катализирующее действие на формирование прочности затвердевшего шлакового камня.
Сказанное относится не только к минеральношлаковым вяжущим, но и к малоизученным минеральнозольным вяжущим в связи с тем, что золы-уноса ТЭЦ от сжигания углей при их измельчении обладают не только высокой гидравлической, но и пуццоланической активностью [4].
Рецензенты:
Логанина В.И., д.т.н., профессор кафедры «Управление качеством и технологии строительного производства», Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», г. Пенза;
Макридин Н.И., д.т.н., профессор кафедры «Технологии строительных материалов и деревообработки», Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», г. Пенза.