Д.т.н. Байджанов Д.О, к.т.н. Рахимов М.А,

магистрант Рахимов А.М., магистрант Лагай Э.Е.

Карагандинский государственный технический университет

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В КАЧЕСТВЕ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ

Общей проблемой для жилищного и промышленного строительства является дефицит строительных материалов, что требует более рационального использования традиционных материалов, а также разработки и применения новых дешевых материалов, то есть материалов на основе отходов промышленности.

В результате литературного обзора и предварительных исследований, проведенных в научно-исследовательской лаборатории кафедры «Технологии строительных материалов и изделий» Карагандинского Государственного Технического Университета выявлены предпосылки к получению дешевых безобжиговых вяжущих веществ на основе доменного гранулированного шлака и карбидной извести - отхода производства ацетилена, которые не уступают по своим физико-механическим свойствам и долговечности в изделиях дефицитным дорогостоящим разновидностям цементов.

Основным компонентом предполагаемого вяжущего вещества является тонкомолотый доменный гранулированный шлак комбината АО «Миттал Стилл Темиртау». Шлак обладает специфичным механизмом твердения. Процесс начинается с растворения и гидролиза сульфидов, затем происходит адсорбция воды, сольватация нерастворимых силикатов, алюмосиликатов кальция и гидролиз продуктов сольватации. После того как в системе образовалось достаточное количество полупроницаемых коллоидных пленок аналогично цементам, процесс твердения идет так же, как и в цементах. Поэтому, по Сиверцеву, доменные шлаки называют «цементоидами» - цементоподобными.

Схема твердения карбидной извести является самостоятельной, отличающейся по своему механизму. Начальной стадией твердения является адсорбция ионов, вызванная электроотрицательной природой материала, причем адсорбция быстро переходит в хемсорбцию, а новообразования, в свою очередь, адсорбируют воду, сольватирующую силикаты. Хемсорбционный характер процесса характеризуется данными связывания воды и окиси кальция, согласно которым новообразования адсорбируют воду в количестве во много раз превосходящем количество связанной извести. Продукты сольватации растворяются и обратимо реагируют с окисью кальция при наличии гидролиза. Отвердевание обусловливается постепенным наращиванием сольватных слоев.

Следовательно, продукты хемсорбции силикатов и алюмосиликатов приходят в состояние гидролитического равновесия с водной средой, характеризуемого равновесными концентрациями извести. Это обстоятельство позволяет характеризовать вяжущее на основе доменного гранулированного шлака и карбидной извести как гидравлическое.

При изготовлении высокопрочных материалов из отходов промышленности для ускорения твердения и повышения прочности в качестве химических активизаторов применяли незначительное количество добавок ряда солей;

1) сульфаты (гипс, сернокислый натрий, сернокислый магний);

2) хлориды (кальция и натрия);

3) карбонаты щелочных металлов (натрия и калия);

4) щелочи (каустическую соду, жидкое стекло).

Причины повышения прочности при воздействии ускорителей и активизаторов различны.

Особое значение для технологии рассматриваемых материалов имеют первые два вида добавок, и среди них на первом месте стоит гипс.

При добавке гипса материалы твердеют интенсивнее, и прочность образцов повышается, особенно после гидротермальной обработки.

С целью определения характера поведения двуводного гипса была подсчитана степень фиксации гипса по данным химического анализа суспензий по формуле:

т=100-р-100/п, %;

где т - степень фиксации S0₃ в %;

р - конечная концентрация S0₃ в мг/л;

п - начальная концентрация S0₃ в мг/л.

Для выяснения усвоения СаS0₄^*2Н₂0 непосредственно в плотной массе определяли содержание свободного S0₃ в образцах, а по этим данным и степень фиксации двуводного гипса, которая изменяется пропорционально прочности вяжущих различных составов. Добавка гипса неизменно и значительно повышает прочность вяжущих.

Устойчивость вяжущего по отношению к сульфатной коррозии фиксировалась по поведению системы СаО - А1₂О₃ - СаSО₄ - Н₂О. Если в системе имеется высокая концентрация СаО, приводящая к образованию 4СаО-А1₂О₃-12Н₂О быстро кристаллизующегося и находящегося обычно в твердой фазе, то на поверхности уже сложившихся кристаллических сростков образуется ЗСаО·А1₂О₃·3СаSО₄·12Н₂О с развитием новых кристаллов, приводящих к образованию внутренних напряжений и ослаблению связи структурных элементов.

Концентрация окиси кальция в полученном вяжущем не превосходит 0,5г/л (по результатам исследований) - за 28 суток твердения, а после пропарки она составила 0,09 - 0,10 г/л.

Наблюдения показали, что увеличения объема вяжущего, происходящего при кристаллизации сульфоалюмината, и возникновения внутренних напряжений при этом не происходит, что следует отнести за счет низкой концентрации СаО в растворе. Однако резкое повышение прочности при относительно небольшом количестве добавляемого гипса заставляет предполагать, что это происходит не только из-за кристаллизации сульфоалюмината, улучшающего микроструктуру искусственного камня, но также вследствие усиления гидратации гидравлических компонентов системы.

Основная задача при определении состава вяжущего - найти оптимальное соотношение между его компонентами, которое обеспечит заданные свойства вяжущего и бетона на его основе.

Для процессов схватывания и твердения известково-шлаковых вяжущих веществ одним из самых важных факторов является количество извести, которое должно быть достаточным для обеспечения наиболее полного протекания реакции, а также последующих явлений адсорбции воды. Избыток извести вызывает снижение плотности и прочности бетонов.

Для проверки этого положения была изготовлена серия мелкозернистых бетонов на известняково-шлаковом вяжущем с содержанием карбидной извести от 10 до 20%.

По результатам химического анализа и определения физико-механических свойств доменного гранулированного шлака и карбидной извести опытным путем подбиралось оптимальное их соотношение в вяжущем веществе. Характеристики исходного сырья приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Характеристика исходного сырья для производства вяжущих веществ.

Наименование сырья	Показатели обязательные для проверки перед использованием	Единица измерения	Величина
Доменный гранулированный шлак	Насыпная плотность Истинная плотность	кг/м г/см	1060 2,8
Карбидная известь	Насыпная плотность Истинная плотность Содержание СаО+Мg0	кг/м г/см %	700 2,6 57

При выборе соотношения компонентов ориентировались на химический состав шлакопортландцемента по содержанию окислов кальция и кремния. Безобжиговое вяжущее получали путем тонкого совместного помола в шаровой мельнице шлака и карбидной извести с добавлением гипса для регулирования сроков схватывания и твердения его.

Помол осуществляли до получения удельной поверхности вяжущего 3500 см²/г. Нормальная густота теста составляла 30%. Начало схватывания вяжущего – 1 час 45 мин.; конец схватывания – 7 часов 40 мин.

Марка вяжущего определялась в соответствии с требованиями стандарта на определение активности цементов, т.е. готовились образцы-балочки размером 4x4x16 см и в возрасте 28 суток твердения в воде подвергались испытаниям на растяжение при изгибе и сжатии.

Марка вяжущего по прочности при сжатии составила – М300.

О пригодности полученного вяжущего в производстве стеновых изделий судили по результатам исследований его в бетонах различного назначения и разных марок по прочности.

Для определения первоначальных составов бетонных смесей использовались усредненные зависимости, полученные в результате статической обработки опытных данных. Для уточнения составов бетонных смесей проводились пробные замесы и корректировки. Составы бетонных смесей рассчитывались по стандартной методике и приведены в таблице 2.

Исходным сырьем служили: щебень Карагандинского каменного карьера фракции 10-20 мм, плотностью зерен 2,6 г/см³; песок с модулем крупности 2,8; известково-шлаковое вяжущее марки 300, плотностью 3,0 г/см, тонкостью помола 3500 см² /г. Образцы твердели в естественных условиях.

Таблица 2.

Бетоны на основе известково-шлакового вяжущего вещества.

Номинальный состав по массе	В/В (водо-вяжущее отношение)	Средняя плотность, кг/м^3.	Прочность при сжатии, МПа.
1 : 2 : 4,2	0,50	2347	27,6
1 : 1,8 : 3,5	0,47	2320	28,1
1 : 2 : 5	0,51	2412	32,5
1 : 2 : 3	0,50	2317	29,3
1 : 1,7 : 2,7	0,45	2320	30,2

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

-на основе доменного гранулированного шлака и карбидной извести возможно получение вяжущего вещества марок 300, 400;

-вяжущее не токсично;

-химический состав вяжущего близок к химическому составу шлакопортландцемента;

-на основе полученного вяжущего возможно получать бетоны, растворы марок до 300;

-бетоны на основе полученного вяжущего долговечны и рекомендуются к эксплуатации в агрессивных сульфатных средах.