Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

АКТИВИЗАЦИЯ МАЛОАКТИВНЫХ ОТВАЛЬНЫХ ШЛАКОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ БЕСКЛИНКЕРНЫХ МИНЕРАЛЬНОШЛАКОВЫХ ВЯЖУЩИХ

Калашников В.И. 1 Хвастунов В.Л. 1 Тараканов О.В. 1 Кяшкин В.М. 2 Петухов А.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»
2 ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева»
В статье рассматривается щелочная активация малоактивных отвальных шлаков в смеси с гранулированными активными шлаками на формирование прочности композиционных минеральношлаковых вяжущих. Показано, что не всегда удовлетворительное значение модулей активности и основности шлаков являются гарантией высокой прочностной активности при затвердевании их даже в присутствии щелочных активизаторов. В отвальных шлаках содержится незначительное количество стекловидной фазы и присутствуют неактивные силикаты и алюмосиликаты кальция, практически не твердеющих или слабо твердеющих с добавками щелочей и соды. Это не позволяет получать высококачественные геополимерные вяжущие и бетоны на их основе. В исследованиях использовались молотые шлаки до удельной поверхности 350 м2/кг, определенной по методу водонепроницаемости. В исследованиях установлено, что нетвердеющие или слабо твердеющие шлаки в присутствии небольших добавок щелочи NaOH в смеси с высокоактивными гранулированными шлаками формируют достаточную прочность затвердевшего шлакового камня. При этом гидратационная активность нетвердеющих шлаков «пробуждается» даже в присутствии их в количестве 60 % в смеси с активным шлаком. Парциальная прочность смеси двух шлаков не подчиняется правилу пропорциональных отношений индивидуальной прочности и содержанию их в смеси. Не все виды шлаков способны в смеси с молотыми горными породами формировать высокую прочность для получения геополимерных вяжущих. Проведенные исследования убедительно свидетельствуют о возможности использования неактивных шлаков в смеси с молотым гранулированным активным, что чрезвычайно важно для металлургических комбинатов, имеющие в качестве побочных продуктов доменные и сталелитейные отвальные шлаки, а также гранулированные чугунолитейные. Делается вывод, что 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.
прочность
активизация
минеральношлаковые вяжущие
горные породы
шлаки отвальные и гранулированные
1. Калашников В.И. Методология получения геосинтетических и геошлаковых композиционных строительных материалов на основе осадочных силицитовых горных пород /В.И. Калашников, Ю.В. Грачева, К.Н. Махамбетова ПГУАС. – Пенза, 2011. – 120 с.
2. Калашников В.И. Минеральношлаковые вяжущие и бетоны на их основе / В.И. Калашников, В.Л. Хвастунов // Научно-промышленная энциклопедия. «Бетон». Ч.2. – Санкт-Петербург, 2009. – С.118-150.
3. Калашников В.И. Новые геополимерные материалы из горных пород, активированные малыми добавками шлака и щелочей / В.И. Калашников, В.Л. Хвастунов, Н.И. Макридин А.А. Карташов // Строительные материалы – 2006. – №6. – С.93-95.
4. Калашников В.И. Новые направления в использовании зол ТЭЦ в порошково-активированных бетонах нового поколения / В.И. Калашников В.И., О.В. Тараканов, Е.А. Белякова, М.Н. Мороз // Региональная архитектура и строительство. – 2013. – №3. – С. 22-27.
5. Калашников В.И. Перспективы развития геополимерных вяжущих // Материалы восьмых Академических чтений РААСН «Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения». – Самара, 2004. – С.152-156.
В отличие от гранулированных доменных шлаков, широко используемых в производстве шлакопортландцемента и других строительных материалов, отвальные доменные и сталелитейные шлаки не находят должного использования в промышленности. Гидратационная активность шлаков предопределяет использование их в шлакопортландцементах. Считается, что основные активные шлаки, имеющие модуль основности [МО= (СаО+MgO) / (SiO2+Al2O3)] выше единицы и модуль активности (МА=Al2O3 / SiO2) более 0,15-0,20, могут самостоятельно твердеть в воде, хотя скорость твердения может быть очень малой. Однако  не всегда удовлетворительные значения МО и МА являются гарантией высокой прочностной активности, даже в присутствии щелочных активизаторов. Это относится в равной степени к отвальным шлакам, имеющим высокую основность и активность, но вследствие незначительного количества стекловидной фазы и наличия неактивных силикатов и алюмосиликатов кальция, практически не твердеющих или слабо твердеющих с добавками щелочей и соды.

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.


Библиографическая ссылка

Калашников В.И., Хвастунов В.Л., Тараканов О.В., Кяшкин В.М., Петухов А.В. АКТИВИЗАЦИЯ МАЛОАКТИВНЫХ ОТВАЛЬНЫХ ШЛАКОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ БЕСКЛИНКЕРНЫХ МИНЕРАЛЬНОШЛАКОВЫХ ВЯЖУЩИХ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=21509 (дата обращения: 26.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074