Технические науки/ 1. Металлургия

Ниязбекова Р.К., д.т.н., профессор, Какимова А.А. магистрант

Евразийский Национальный университет им.Л.Н.Гумилева, Казахстан

Исследование физико-химических свойств цементов, содержащих сталеплавильные шлаки

Сталеплавильные шлаки являются отходом предприятий по производству стали и машиностроительной промышленности. Поскольку указанные шлаки содержат основные минералы, необходимые для синтеза цементного клинкера, стеклокристаллических материалов, в то же время содержат метастабильный ортосиликат кальция, оказывающий негативное влияние на свойства готовых силикатных материалов, то в работе изучались физические и химические свойства указанных шлаков.

В технологии силикатов для производства цементного клинкера пригодность шлаков определяется, прежде всего, количеством активных фаз, которые при гидратации образуют гидратные фазы, придающие прочность цементу. Для синтеза стеклокристаллических материалов необходимо присутствие фаз, которые кристаллизуются с образованием прочной структуры.

Изучение физических и химических свойств сталеплавильных шлаков основной мартеновской печи при скрап-рудном процессе и в конверторах АО «Миттал Стил Темиртау» показало, что в основных сталеплавильных шлаках образуется большое количество SiO₂, Al₂O₃. Комплексные исследования сталеплавильных шлаков «Испат-Кармет» позволили установить, что особенностью сталеплавильных шлаков является присутствие метастабильного β-С₂S. Результаты химического анализа шлаков основного мартеновского процесса свидетельствуют о содержании хрома. Предполагалось, что присутствие Cr₂O₃ будет влиять на формирование желательной структуры клинкера цемента. В шлаках также выявлено присутствие марганца, фосфора, которые могут проявить легирующее действие при синтезе портландцементного клинкера.

С целью получения активных фаз, а также с учетом того, что при производстве стали в шихту могут вводиться бокситы эксперименты имели целью получения активных фаз с использованием основных и кислых сталеплавильных шлаков. Основой для планирования экспериментов служила трехкомпонентная диаграмма состояния СаО-SiO₂∙Al₂O₃. Составы портландцементного клинкера и глиноземистого цемента получали по теоретически рассчитанной смеси.

Для синтеза клинкеров на основе сталеплавильных шлаков были поставлены следующие основные задачи: изучить физические, физико-механические свойства полученных клинкеров и цементов.

В таблице 1 приведены составы сырьевых смесей для получения цементных клинкеров. Состав клинкера варьировали по КН и силикатному модулю.

Клинкера обжигали в лабораторной печи с автоматическим режимом управления. Режим обжига – 1 час, затем быстрое охлаждение. Затем из полученных кликеров приготавливали прозрачные шлифы и исследовалась их структура. При использовании кислых сталеплавильных шлаков были получены низкоосновные клинкера. В таблице 1 приведен химический и таблице 2 расчетный минералогический состав, полученных клинкеров, составы которых соответствуют наилучшим физико-механическим показателям(табл.3)

Одним из основных свойств портландцемента является то, что по истечении непродолжительного (10-15 ч) времени после приготовления на его основе пластичного теста оно приобретает способность оказывать сопротивление внешнему сжатию, а в дальнейшем и воспринимать значительные нагрузки на изгиб, сжатие, растяжение.

Прочность цемента зависит от целого ряда причин, таких как минералогический состав исходного клинкера, содержания в нем C₃S и C₃A, тонкость полома и удельная поверхность цемента, количество гипса, количество и вид добавки, водопотребность и т.д. При длительном хранении в неплотной таре портландцемент подвергается с поверхности зерен частичной гидратации и карбонизации за счет имеющихся в атмосферном воздухе паров воды и углекислого газа, в связи с чем его гидравлическая активность и прочность постепенно снижаются; при этом удлиняются сроки схватывания цемента, увеличивается величина потерь при прокаливании, несколько уменьшается его водопотребность и тепловыделение. Прочность портландцемента в результате хранения в течение 3 мес может понизиться на 10-15%, а при хранеии в течение одного года – на 25-40%. При повышенной влажности воздуха активность цемента может упасть более чем на 50%, при этом он сильно комкуется, образуя плотную камневидную массу.

Таблица 1 – Химический состав клинкеров

№ составов	Химический состав, мас %
	SiO2		Al2O3		Fe2O3		CaO		MgO		SO3
1	29,4		8,36		1,01		53,45		6,31		0,15
2	24,83		6,73		0,94		59,72		5,74		0,21
3	24,21		6,34		0,94		62,75		6,34		0,23
4	22,67		6,02		0,87		64,27		6,89		0,25
13	24,32		9,18		1,14		60,4		5,94		0,15
14	23,80		8,95		1,07		62,7		5,80		0,17
15	22,56		8,03		1,05		62,92		5,45		0,14
16	21,44		7,92		1,06		64,7		5,0		0,14
Таблица 2 – Расчетный минералогический состав клинкеров
№ составов	Минералогический состав, %							KH		n		P
	C3S	C2S		C3A		C4AF
1	10,41	70,4		14,34		3,71		0,70		3,8		4,61
2	24,7	56,92		14,7		3,12		0,75		4,33		4,81
3	38,7	39,82		12,9		3,10		0,8		4,29		4,52
4	50,22	31,37		12,14		3,17		0,85		4,20		4,31
13	10,29	61,70		19,82		2,97		0,70		2,69		8,37
14	22,24	50,64		21,76		3,10		0,75		2,57		8,11
15	35,64	37,7		21,04		3,24		0,80
16	45,26	29,4		19,6		3,38		0,85

Таблица 3 - Прочность на сжатие цементных образцов

№ п/п	Прочность на сжатие, МПа, через
	3 сут	28 сут
1	26,4	57,4
2	20,7	52,4
3	23,5	55,34
4	25,6	58,4
13	28,9	59,6
14	30,4	62,9
15	30,8	62,9
16	31,2	63,2

Гидратационная активность цементов, следовательно прочность цементов в различные сроки твердения во многом зависит от фазового состава. Образование алюминатов, алюмоферритов вызывает увеличение активности цементов. Увеличение активности в ранние сроки твердения (№ 13-16), несмотря на увеличение зерен С₂S, как показали исследования, вероятно, связано с увеличением пористости клинкеров в результате внедрения в структуру двухкальциевого силиката Cr₂O₃. В присутствии оксида Cr происходит стабилизация β-С₂S.

Таким образом, изучение структуры вновь разработанных составов цементов на основе сталеплавильных шлаков с помощью оптических методов позволило выявить причины повышения активности цементов в ранние сроки, определить оптимальное количество сталеплавильных шлаков, которое можно вводить в сырьевую смесь взамен природных дорогостоящих материалов.

ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Технология вяжущих веществ / В. Н. Юнг, Ю. М. Бутт, В. Ф. Журавлев, С. Д. Окороков. — М.: Государственное изд-во лит-ры по строительным материалам, 1952. 560 с.

2.  Будников, П. П. Гранулированные доменные шлаки и шлаковые цементы / П. П. Будников, И. Л. Значко-Яворский. М.: Государственное изд-во лит-ры по строительным материалам, 1953. -223 с.