УДК 666.943
М.С. Шафигуллина, К.М. Воронин
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова
Отходы являются неотъемлемой частью любого производства. Деятельность практически любого крупного предприятия сопровождается получением больших объемов разнообразных отходов, которые наносят существенный вред окружающей среде. Под их размещение ежегодно отвлекаются большие площади земельных угодий (свыше 60 тыс. га), значительная часть отходов содержит вредные вещества.
Ввиду преобладающего развития металлургического производства в нашей стране становится очень важной проблема использования его отходов – металлургических шлаков.
Металлургические шлаки представляют собой наиболее многотоннажные отходы промышленности. Только на металлургических комбинатах Урала и Сибири скопилось в отвалах 450 млн. т металлургических шлаков, занимающих обширные территории и загрязняющих окружающую среду.
На сегодня нельзя сказать, что металлургические шлаки не используются в производстве строительных материалов. Они используются в качестве добавок при производстве цемента, заполнителей для бетонов, насыпки дорог, в производстве кирпича и т.д. Однако, если объемы их утилизации в нашей стране не превышают 10-15%, то в других технически развитых странах этот показатель достигает 60-80%. Вместе с тем, они представляют собой ценное сырье для производства гидравлических шлакощелочных вяжущих (ШЩВ).
Для производства ШЩВ в основном используются доменные гранулированные шлаки. Сталеплавильные шлаки в силу своей неоднородности по структуре, химическому составу и склонностью некоторых шлаков к самопроизвольному разрушению (распаду), в производстве вяжущих практически не используются. Хотя, судя по минералогическому составу, сталеплавильные шлаки являются более предпочтительнее, чем доменные и могут быть переработаны в гидравлическое вяжущее.
Для повышения гидравлической активности шлаков и стабилизации их структуры необходимо применять добавки (щелочной компонент).
Выбор щелочного компонента до настоящего времени остается нерешенной проблемой сырьевого обеспечения ШЩВ.
При выборе добавки следует руководствоваться следующим принципом: вводимая добавка должна быть легко растворимой и связывать свободный оксид кальция, содержащийся в шлаке; продукты взаимодействия добавки и свободного оксида кальция должны принимать участие в процессе структурообразования.
Данная работа посвящена разработке шлакощелочного вяжущего на основе сталеплавильного шлака и солей амфотерных металлов (активизатор твердения).
В работе использовался шлак конвертерного производства ОАО “ММК” с модулем основности 2,8, химический состав которого представлен в табл. 1.
Для изготовления вяжущего шлак измельчали на лабораторной центробежно-ударной мельнице типа МЦ-0,36 “Урал-Омега” до крупности — 50 мкм.
В качестве активизатора твердения применяли Al2(SO4)3x18H2O ЗАО «Химреактив» ГОСТ 3758-75. Основные показатели добавки представлены в табл. 2.
Все показатели сульфата алюминия соответствуют требованиям стандарта.
Процесс твердения ШЩВ при затворении его водным раствором сульфата алюминия можно разделить на несколько этапов:
— первый этап вызван образованием гипса и гидроалюмината кальция по схеме:
CaO + Al2(SO4)3x18H2O -> CaSO4x2H2O + 3CaOxAl2O3x6H2O;
— второй этап – образование гидросульфоалюмината кальция (эттрингита) в результате химического взаимодействия гидроалюминатов кальция с гипсом в водной среде по схеме:
3CaO×Al2O3x6H2O + CaSO4x2H2O + H2O -> 3CaOxAl2O3xCaSO4x32H2O.
Оптимальное содержание добавки определяли опытным путем на тесте нормальной густоты состава: шлак, добавка, вода на образцах-кубах с ребром четыре сантиметра. В составах масса шлака и водо-шлаковое отношение не изменяли. Добавку предварительно растворяли в воде. Твердение происходило в нормальных условиях. Оптимальным составом принят состав, набравший максимальную прочность в 28-суточном возрасте.
Экспериментальные данные были подтверждены расчетными (с использованием теоретической зависимости дозировки добавки от содержания CаOсв для мартеновского шлака).
Д = к x CaO,
где к – коэффициент связывания CaO добавкой;
CaO – содержание CaO в шлаке, %.
Процесс твердения ШЩВ в присутствии сульфата алюминия имеет значительную скорость, твердение происходит практически мгновенно. Как известно, ранние сроки схватывания не дают возможности качественно формовать смесь, поэтому необходимо замедлять процесс схватывания.
Для увеличения сроков схватывания использовали следующую методику приготовления вяжущего: шлак сначала затворяли половиной водного раствора добавки и тщательно перемешивали; затем добавляли оставшуюся часть добавки и снова тщательно перемешивали (повторное перемешивание). Так удалось увеличить сроки схватывания до величины, соответствующей требованиям стандарта.
Прочностные показатели полученного вяжущего определяли на образцах-балочках размером 4×4×16 см, изготовленных из раствора состава 1:3. Твердение образцов проходило в нормальных условиях в течение 28 суток. Результаты представлены на рис. 2.
Было установлено, что процесс твердения полученного ШЩВ в условиях тепловой обработки недопустим. При применении тепловой обработки происходит резкое снижение прочности. Это можно объяснить тем, что при тепловой обработке происходит изменение форм кристаллов сульфоалюмината в затвердевшем камне, что приводит к накоплению внутренних напряжений, в результате чего и происходит снижение прочности.
Полученное ШЩВ обладает коррозионной стойкостью по отношению ко всем видам коррозии.
