Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

М.т.н. Спичак Е.В., м.т.н. Альгожина Ж.А.

Карагандинский государственный индустриальный университет, Казахстан

Возможность использования отходов черной и цветной металлургии при производстве портландцемента

Цемент является широко распространенным вяжущим материалом, более дешевым, чем другие промышленные связующие. В настоящее время цементная промышленность выпускает более 30 видов цементов, среди которых наибольшее применение в строительстве имеют портландцемент без добавок и портландцемент с минеральными добавками.

Портландцемент изготавливают путем тонкого измельчения портландцементного клинкера с природным гипсовым камнем (3-5 %) для регулирования сроков схватывания без других добавок или с ними. Добавку водят при помоле клинкеров, чтобы придать цементу заданные свойства, а также для снижения расхода клинкера и удешевления цемента при сохранении или незначительном снижении его марки. Портландцемент в зависимости от марки может применяться в различных областях строительства, таких как изготовление железобетонных монолитных конструкций, аэродромное строительство, изготовление сборных железобетонных конструкций, гидротехнические сооружения, производство асбоцементных изделий, дорожное строительство и в других областях.

Технология цементного производства позволяет использовать в нем отходы и побочные продукты металлургического производства. Некоторые отходы даже улучшают свойства цемента.

Важными задачами современной промышленности являются комплексная переработка сырьевых материалов, применение безотходных и энергосберегающих технологий, использование нетрадиционного сырья и утилизация вторичных ресурсов. Употребление отходов различных отраслей промышленности повышает эффективность производства цемента вследствие комплексного использования сырья, обеспечивает интенсификацию процесса и уменьшает отводы земель под карьеры и отвалы.

Главные составные части цемента: оксид кальция CaO, кремнезем SiO₂, глинозем Al₂O₃, оксид железа Fe₂O₃. Эти компоненты редко содержаться в одном виде сырья, поэтому приходится подбирать сырьевую смесь, содержащую карбонатный компонент, который состоит преимущественно из оксида кальция, глинистый – из кремнезема, оксида железа и небольшого количества титана.

Оптимальную сырьевую смесь для производства клинкера готовят из двух (известняк, глина), трех (известняк, глина, мергель) или четырех (известняк, глина, мергель, боксит) сырьевых компонентов.

Строительно-технические свойства многокомпонентных цементов определяются рядом технологических факторов: количеством и видом добавок, минералогическим составом клинкера, условиями твердения и др.

Способ производства цемента выбирают в зависимости от технологических факторов, а также от вида и сорта топлива, предназначенного для обжига клинкера [1].

Для получения портландцементного клинкера могут быть использованы в качестве сырья такие промышленные отходы, как кислые гранулированные доменные шлаки. Эти материалы содержат значительное количество окиси кальция, что позволяет получать из них портландцемент с меньшими расходами сырья и топлива.

Доменные гранулированные шлаки представляют собой силикатные и алюмосиликатные расплавы, получаемые при выплавке чугуна в доменных печах. Благодаря своему химическому составу (SiO₂ - 38-40%; СаО - 43-44%; Al₂O₃ - 5-14) они могут использоваться вместо глинистого и части карбонатного компонентов.

Эффективность использования кислого гранулированного доменного шлака в качестве сырьевого компонента при производстве портландцемента мокрым способом определяется содержанием в нем до 40% окиси кальция и более низкой, чем у глины, водопотребностью. За счет этого повышается на 10-12% выход клинкера по сравнению с сырьевой смесью на основе глины, и на 5-6% снижается влажность шлама по сравнению со шламом на основе глины. Однако реакции клинкерообразования при замене глины шлаком протекают медленнее, клинкерообразование заканчивается при температуре на 50⁰С выше.

Замена глины шлаком позволяет повысить производительность печей на 15% и снизить расход тепла на обжиг в пределах 10-15%.

При использовании нефелинового шлама сырьевая смесь составляется из известняка и нефелинового шлама и двух корректирующих добавок – пиритных огарков и низкокачественного боксита (в количестве около 4%), улучшающего гранулообразование в печи и уменьшающего пылеунос. Нефелиновый шлам содержит 80-85% минерала белита (ρ - модификация C₂S), находящегося в частично гидратированном виде.

Содержание данного шлама в смеси около 40%, снижает расход известняка в смеси и повышает выход клинкера (при применении нефелинового шлама выход составляет 800 кг на 1 т сырьевой смеси, при использовании смеси из известняка и глины выход равен 670 кг/т). Это же характеризует меньшую затрату тепла на обжиг клинкера, в частности, на декарбонизацию известняка. Кроме того, известняково-нефелиновый шлам имеет пониженную влажность (32-33%) по сравнению с известняково-глиняным шламом. Добавлением 0,2-0,25% шлама может быть доведена до 27% при сохранении нормальной текучести.

Результаты исследования многокомпонентных цементов на основе доменного шлака показывают, что при 5% содержании в составе многокомпонентных цементов расширяющего компонента могут быть получены безусадочные и расширяющиеся многокомпонентные цементы с малым эффектом самонапряжения (до 1 МПа). Прочность цементов существенно зависит от количества доменного шлака. При 20-30% содержании доменного шлака получаются многокомпонентные расширяющиеся цементы активностью 40-50 МПа. При увеличении содержания расширяющего компонента до 10% эффект самонапряжения возрастает до 3 МПа. Увеличение доменного шлака в составе многокомпонентных цементов до 60 % приводит к снижению активности (до 30 МПа) [2].

При применении в составе многокомпонентных цементов в качестве силикатной составляющей нефелинового шлама отмеченные выше закономерности сохраняются. Следует отметить, что безусадочные и расширяющиеся многокомпонентные цементы могут быть получены при 20-30% содержании нефелинового шлама и – 10% расширяющего компонента в составе цемента, а прочность этих многокомпонентных цементов на 10 МПа ниже по сравнению с многокомпонентными цементами на основе доменного шлака.

При введении комплексного силикатного компонента (доменный шлак + нефелиновый шлам – 20-30%) отмечены более высокие прочностные показатели, чем у многокомпонентных цементов на доменном шлаке и нефелиновом шламе раздельно. Увеличение количества комплексного силикатного компонента до 40% приводит к снижению прочностных показателей многокомпонентных цементов (по сравнению с многокомпонентными цементами на доменном шлаке). На технические свойства расширяющихся многокомпонентных цементов влияют также и условия твердения.

Литература:

1. Цементный завод нового тысячелетия (Журнал «Цемент» -2004 г. №4).

2. Е.В. Спичак. Исследование портландцемента, полученного на основе отходов черной и цветной металлургии. Автореф. дисс. м.т.н. КГИУ, Темиртау, 2012.