Э. Б. Хоботова, *В. И. Ларин, Ю. С. Калмыкова

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

*Харьковский национальный университет им. В. Н. Каразина

ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДОМЕННЫХ ШЛАКОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА И ШЛАКОПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

Доменные шлаки по химическому составу родственны портландцементу (ПЦ), поэтому могут рационально использоваться в производстве вяжущих веществ (ВВ). Однако степень утилизации металлургических шлаков в строительстве до сих пор остается низкой. В производстве ВВ утилизируются только охлаждаемые гранулированные (активные стекловидные) шлаки. Применение отвальных доменных шлаков в производстве ВВ ограничено. Подобные шлаки должны тщательного изучаться для разрешения вопроса наиболее эффективной и экономически выгодной их утилизации.

Доменные шлаки могут использоваться в производстве ВВ по двум основным направлениям: в качестве сырьевого компонента производства портландцементного клинкера; в производстве шлакопортландцемента (ШПЦ) путем совместного помола цементного клинкера и шлака. В первом случае минералы шлаков при высоких температурах спекания во вращающейся печи могут частично разлагаться с образованием оксидов. В таком случае собственная гидравлическая активность минералов шлаков имеет ограниченное значение, и выбор первого направления утилизации доменных шлаков, в основном, определяется их оксидным составом. Использование доменных шлаков в качестве компонента шихты при производстве ПЦ регламентируется ГОСТ 3476-74 «Шлаки доменные и электротермофосфорные гранулированные для производства цементов».

Вариант использования доменных шлаков в производстве ШПЦ предусматривает наличие в их составе минералов, обладающих гидравлическими свойствами. При твердении ШПЦ наличие кристаллических силикатов кальция обусловливает возможность протекания реакций их гидратации с образованием гидросиликатов кальция, а также взаимодействия кремнезема и глинозема шлакового стекла с выделяющимся гидроксидом кальция. Тонкое измельчение доменного шлака может существенно повысить его гидравлическую активность и привести к формированию скрытой (потенциальной) активности. Гидравлические свойства шлака, оказывающие существенное влияние на качество ШПЦ, можно оценить исходя из минерального и фазового состава и с помощью системы модулей. Согласно ГОСТу 24640-91 «Добавки для цементов» доменные шлаки можно рассматривать как компоненты вещественного состава – активные минеральные добавки, обладающие гидравлическими свойствами. Критерием оценки свойств подобных добавок является снижение доли клинкера в большей степени, чем уменьшение активности цемента. Использование доменных шлаков как добавок для бетонов регулируется ГОСТом 10180-78 «Добавки для бетонов». Добавка считается эффективной, если снижает расход цемента не менее чем на 5 %.

Экспериментально изучены свойства отвальных доменных шлаков металлургических комбинатов Украины: ОАО «Запорожсталь»; ПАО «Мариупольский металлургический комбинат имени Ильича» (ММК); ОАО Днепровский металлургический комбинат им. Ф. Э. Дзержинского (ДМК); ПАО Алчевский металлургический комбинат (АМК); ОАО «АрселорМиттал Кривой Рог» («АрселорМиттал»). Минералогический, оксидный и радионуклидный составы фракций шлаков определялись, соответственно, методами: рентгенофазовым, электронно-зондового микроанализа и гамма-спектрометрическим.

Теоретически и экспериментально обоснованы принципы определения явной и скрытой химической, сорбционной и гидравлической активности соединений доменных шлаков, обусловливающие направления их практического использования как ценного техногенного сырья. Выявлены основные качественные и количественные критерии практической утилизации шлаков в производстве ВВ: соотношение оксидов главных элементов, соответствие модульной классификации и оптимальным величинам коэффициентов качества (КК) и насыщения (КН), наличие гидравлически активных минералов, радиационная безопасность получаемого продукта.

Показано, что обоснование практической утилизации доменных шлаков в качестве сырьевого компонента производства ПЦ должно опираться на оптимальные значения показателей КК, КН по Ли-Паркеру и Кинду-Джангу и гидравлического модуля (Мгидр.). Выявлено, что в соответствии с оксидным, радионуклидным составом и величинами модулей отвальные доменные шлаки ДМК, «АрселорМиттал», «Запорожсталь» можно использовать без рассеивания на фракции как компонент сырьевой смеси производства ПЦ при частичной замене глинистого компонента. Рекомендованы к утилизации в качестве сырьевого компонента при производстве ПЦ гранулометрические фракции шлаков: 2,5-5,0 мм ММК, >5,0 мм АМК и >10 мм гранулированного доменного шлака «АрселорМиттал».

В качестве глинитно-железистой добавки может использоваться отвальный доменный шлак «АрселорМиттал».

Соответствие оптимальным значениям критериев: модуля активности (Ма), Мгидр., КН определяет направление утилизации доменных шлаков как компонентов ШПЦ. В производстве ШПЦ возможно утилизировать отвальные доменные шлаки ДМК и «АрселорМиттал» без рассеивания на фракции, а также гранулометрические фракции: >20 мм «Запорожсталь», 2,5-5,0 мм ММК, >5 мм АМК и >10 мм «АрселорМиттал» (гранулированный шлак).