Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор литературных данных 9
1.1 Общие сведения о металлургических шлаках 9
1.2 Классификация шлаков. Теоретические предпосылки к использованию шлаков в качестве вяжущих для бетонов 14
1.3 Шлаковые вяжущие 20
1.4 Строительные материалы на основе доменных шлаков 36
Выводы по главе 1 42
2. Методика экспериментальных исследований 43
3. Характеристика сырьевых материалов
3.1 Химический состав и технологические свойства 46
3.2 Фазовый состав доменных шлаков 50
Выводы по главе 3 55
4. Результаты экспериментальных исследований ... 56
4.1 Влияние активаторов твердения, способа формования и условий твердения на физико-механические характеристики шлакового камня 56
4.2 Влияние дозировки портландцемента на прочность шлакового камня 73
4.3 Исследование фазового состава и продуктов гидратации шлаков 78
Выводы по главе 4 92
5. Разработка и исследование свойств мелкозернистого бетона с активным заполнителем из доменного гранулированного шлака 94
Выводы по главе 5 102
6. Оценка экономического эффекта от использования доменных шлаков при производстве строительных материалов и изделий 103
Основные выводы 109
Список использованной литературы 111
- Классификация шлаков. Теоретические предпосылки к использованию шлаков в качестве вяжущих для бетонов
- Химический состав и технологические свойства
- Влияние дозировки портландцемента на прочность шлакового камня
- Исследование фазового состава и продуктов гидратации шлаков
Введение к работе
Актуальность. Широкое использование шлаков для производства строительных материалов и изделий позволяет значительно снизить энергоемкость строительного комплекса и расширить его сырьевую базу. При этом решается также и проблема утилизации отходов черной и цветной металлургии, химической промышленности и теплоэнергетики, что в конечном счете способствует улучшению окружающей среды, так как шлаковые отвалы занимают большие территории и во многих случаях загрязняют не только землю, но и водную и воздушную среду.
Отечественными и зарубежными специалистами достигнуты значительные успехи в разработке и внедрении в практику эффективных строительных материалов, содержащих доменные гранулированные шлаки. Наиболее подробно изучены шлаки Донбасса, а также Урала и Казахстана. В то же время, доменные шлаки Западных и Центральных регионов Российской Федерации, к которым относятся шлаки АО "Новолипецкий МК", АО "Северсталь" (г. Череповец), ОАО "КМЗ" (Косая гора, г. Тула), АО СП "Тулачермет" (г. Тула), исследованы недостаточно. Между тем, они отличаются специфическим составом и свойствами, по модулю основности относятся к низкоосновным, при весьма низком модуле активности.
Наиболее значительные исследования в этом направлении выполнены В.В. Лапиным, А.В. Волженским, П.И. Боженовым, B.C. Горшковым, В.Д. Глуховским, однако из-за недостаточной разработанности вопросов, связанных с гидратацией и твердением этих шлаков в присутствии различных активаторов, их использование для производства строительных материалов и изделий весьма ограничено, хотя указанные металлургические предприятия расположены в густонаселенных районах с интенсивным промышленным производством и развитой строительной индустрией.
Работа выполнена в рамках госбюджетной темы "Разработка композиционных материалов на основе отходов металлургического производства".
Цель работы заключается в разработке эффективных строительных материалов и изделий на шлаковой основе путем оптимизации их состава в зависимости от вида используемого шлака, технологии изготовления и условий твердения.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задач»:
- изучение и уточнение фазового состава доменных шлаков в зависимости от химического состава и условий их формирования;
исследование гидратационной активности шлаковых вяжущих при различных условиях твердения, составе и дозировке активатора;
разработка рациональных составов шлаковых материалов и изделий на их основе, представляющих практический интерес;
исследование морозостойкости и других эксплуатационных характеристик полученных материалов;
разработка рекомендаций по применению полученных материалов для производства строительных изделий.
Научная новизна работы:
установлено, что основными кристаллическими фазами доменных шлаков Центрального и Северо-Западного регионов России с низким модулем активности и модулем основности близким к 1.0 являются мервинит (метастабильная фаза) и окерманнт, что соответствует теории кристаллизации силикатных расплавов, укладывающейся в рамки теории прерывистых реакционных рядов Боуэна-Барта;
выявлено, что все исследованные шлаки являются самоактивирующимися, так как содержат 1...3% ольдгамита, поэтому дополнительное введение извести не требуется.
установлено, что эффективность действия активаторов зависит от способа формования изделий; при полусухом формовании наилучшим активатором является портландцемент, а при пластическом - жидкое стекло, что соответствует теории синтеза прочности в зависимости от основности гидратных фаз и пористости цементного камня.
- уточнены критерии оценки гидратационной активности шлаков по
химическому и фазовому составу, позволяющие ускорить и повысить
объективность и надежность поисковых исследований при разработке новых
вяжущих композиций из техногенного сырья.
Практическое значение:
разработаны оптимальные составы шлаковых вяжущих в том числе с активным шлаковым заполнителем, позволяющие получать водостойкие строительные изделия с прочностью на сжатие до 70 МПа, и на изгиб - 14.! Л 7 МПа, морозостойкостью более 200 циклов;
наиболее перспективным способом получения изделий является метод полусухого формования, который может быть реализован на базе существующей технологии и оборудования предприятий по производству силикатного кирпича, при этом исключается применение дорогостоящих извести и молотого песка при значительно более высоких эксплуатационных характеристиках изделий;
- установлено, что прочность образцов на основе
шлакопортландцементов, содержащих исследованные шлаки, незначительно
повышается с увеличением доли клинкерной составляющей от 20 до 80%, это
дает основание рекомендовать повысить дозировку шлака в них до 70%.
Автор защищает:
закономерности фазообразования кристаллической части доменных шлаков с низким модулем основности в зависимости от химического состава и условий охлаждения;
уточненные критерии оценки гидратационной активности шлаков по химическому составу и содержанию кристаллической фазы;
закономерности физико-механических свойств шлакового камня с добавкой различных активаторов в зависимости от способа формования изделий при различных гидротермальных условиях;
рекомендацию по увеличению дозировки шлака в шлакопортландцементе;
оптимальный состав мелкозернистого бетона на шлаковой основе с добавкой активного шлакового заполнителя;
рекомендации по практическому использованию металлургических шлаков для производства строительных изделий.
Реализация результатов работы : составлены два технологических регламента производства мелкозернистых бетонов на активном заполнителе; результаты исследований внедрены в учебный процесс по курсам: "Вяжущие вещества" и "Минералогия и кристаллография".
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были изложены на:
XXIX научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов, студентов Российских ВУЗов с участием представителей проектных, строительных и производственных организаций (Пенза, 1997); международном научно-техническом семинаре "Экология строительства и эксплуатации зданий и сооружений" (Москва-Лимерик, )997); международной научно-технической конференции "Четвертые академические чтения РААСН: проблемы строительного материаловедения, посвященные 40-летию ПГАСА (Пенза, 1998); 52-й, 53-й международной научно-технической конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 1998-99); пятых академических чтениях РААСН: "Современные проблемы строительного материаловедения", (Воронеж, 1999).
Публикации по теме работы. Основные результаты работы изложены в 6 научных публикациях, в том числе 3 статьях и 3 тезисах докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов, изложена на 120 страницах основного машинописного текста,
содержит 35 рисунков, 13 таблиц, список используемой литературы из 128 наименований.
Классификация шлаков. Теоретические предпосылки к использованию шлаков в качестве вяжущих для бетонов
В качестве химического классификационного признака наибольшее распространение получили модуль основности Мосн = (СаО + MgO) / (Si02 + AI2O3) и модуль активности Макт = AI2O3 / Si02 При Мосн ==: 1 шлаки обладают вяжущими свойствами, при Мосн 1 - могут служить гидравлической добавкой [5]. Для основных шлаков Мжт = 0,12...0,25, для кислых Макт = 0,3...0,5. Несмотря на широкое использование этих модулей, промышленный опыт показал отсутствие в некоторых случаях закономерности между величиной этих модулей и вяжущими свойствами шлака [4].
Существует и ряд других химических характеристик шлаков. К ним относятся: комплексный модуль КМ = Макт + МпО - Мосн- С увеличением КМ активность шлаков падает; коэффициент качества К = (СаО + MgO + AJ2O3) / (Si02 + МпО). Наиболее ценными являются шлаки, у которых К 1,9; I германский модуль (СаО + MgO +1/3 А1203) / (Si02 + 2/3 А1203) 1.0. шлак обладает наибольшей активностью, если Mi 1.0; II германский модуль (СаО + MgO + AI2O3) / Si02 1. шлак обладает активностью, если Мц 1.0; III германский модуль (СаО + CaS + 0,5 MgO + А1203) / Si02 + МпО 1,5. Если Мщ 1,9 - очень хороший шлак; Мщ = 1,5... 1,9 - хороший шлак; Мщ 1,5 - посредственный шлак. Во всех перечисленных модулях берется процентное содержание основных оксидов без учета соединений, в которых они находятся, и последовательности происходящих между ними реакций. Эти модули являются абстрактными величинами, полученными на основе статистических данных при исследовании конкретных материалов. П.И. Боженов [5] предложил использовать для химической оценки полиминерального сырья коэффициент ОСНОВНОСТИ Кош Кош = [(СаО + 0,93MgO + 0,59К2О + 0,9Na2O) - (0,55А12О3 + 0,35Fe2O3 + 0,3SO3 + 1,28С02 + 1,ЗЗР205)] / 0,93(SiO2 + 0,62ТІО2 - 0,83FeO). Выражение в числителе (СаО + 0,93MgO+ 0,59К2О + 0,9Na2O) показывает общее содержание (в %) «условной СаО». Чем ее больше, тем активнее интересующий нас материал. Вычитаемое - (0,55А12О3 + 0,35Fe2O3 + 0,3SO3 + 1,28С02 + l,33P20s) определяет количество (в %) СаО, связываемой соответствующими оксидами и не участвующей в образовании силикатов. При слишком большом содержании этих оксидов можно получить отрицательное значение Косы.
Косн позволяет не только рассчитать основность силикатов, но и оценить примерное содержание в материале алюминатов, ферритов и сульфатов, которые присутствуют или могут образовываться в конкретных условиях раньше силикатов. Предложенный П.И. Боженовым коэффициент основности является не только химической характеристикой, но и дает ориентировочную количественную оценку наиболее вероятного процесса фазообразования.
Исследование прочностных характеристик шлакового камня в зависимости от Косн показывают наличие определенных закономерностей. При нормальном твердении фиксируется появление вяжущих свойств в материалах с K0CH 1,2. Причем, увеличение коэффициента основности вызывает планомерное повышение гидравлической активности. Для автоклавной обработки наилучшими будут материалы с Косн - 0,8... 1,2. В керамическом производстве целесообразно использовать сырье Косн 0,5.
В работе [126] проанализирована связь между составом и гидравлическими свойствами шлаков. Выявлено, что ни один из существующих модулей не позволяет детально сравнивать шлаки.
К настоящему времени не существует общепринятой классификации шлаков. Кроме химической известна классификация, основанная на физическом состоянии шлаков, химическом составе, происхождении.
Н.А. Тороповым и О.М. Астреевой [6] предложена классификация шлаков по минеральному составу с выделением 5 групп: алюминатные шлаки, геленитовые шлаки, окерманитовые шлаки, ортосиликатные и марганцевые шлаки.
Г.Н. Сиверцев [6] предложил классификацию с учетом влияния отдельных компонентов на гидравлическую активность доменных шлаков. Он вводит понятие «носитель и возбудитель» активности. Носителями являются силикаты и алюмосиликаты кальция, однако они сами по себе инертны, поэтому для них необходимы возбудители, одним из которых является сульфид кальция. Классификация также учитывает условия охлаждения и «старение» шлака.
А.В. Волженский [8] предложил классификацию шлаков и зол. За основу принят принцип генезиса рассматриваемых материалов, что позволило выделить 3 крупные группы, отличающиеся физическим состоянием: шлаки, образующиеся при быстром охлаждении расплава, при медленном охлаждении и шлаки, фазовый состав которых формируется при взаимодействии твердых фаз с расплавом.
Шлаки при медленном охлаждении превращаются в твердую массу с преобладающей полнокристаллической структурой Из всех кристаллических составляющих этих шлаков, способность к твердению в обычных условиях проявляет только двухкальциевый силикат[5].
Быстрое охлаждение сопровождается процессами грануляции, предотвращая кристаллизацию гидравлически инертных составляющих (геленита, однокальциевого силиката) и переход p-2CaOSi02 в неактивную форму [19].
Шлаки, медленно охлажденные и гранулированные не бывают совершенно кристаллическими или стекловидными. Они содержат кристаллическую или стекловидную фазы в различных состояниях в зависимости от химического состава расплава, температуры и режима охлаждения [3].
Шлаковое стекло гранулированных шлаков представляет собой микронеоднородный материал, состоящий из участков упорядоченной структуры, связанных прослойками аморфного неупорядоченного вещества. Для силикатных расплавов характерна тенденция к агрегации структурных элементов - ионных группировок близкого состава, приводящих к метастабильной ликвации расплава. Микронеоднородности, возникшие при ликвации расплава, названы Р.Л. Мюллером аморфитами. Основная часть аморфитов состоит из ионных группировок, не обладающих пространственной строгой периодичностью связей. В центрах аморфита возможно образование участков с кристаллическим строением кристаллитов [13].
Гидравлическая активность кристаллитов в стекле превышает активность соответствующих минералов, но характер гидратных новообразований скорее всего не меняется. Аморфиты легко гидратируют и гидролизуются вследствие их рыхлой субмикроструктуры [105].
П.И. Боженов [4] отмечает, что в большей степени гидравлические свойства выражены у гранулированных шлаков. З.С. Краснослободская [104] установила, что не только химический состав, но и структура гранулированных шлаков влияет на их гидравлические свойства. М.К. Зильбер [13] приводит данные, из которых видно, что на гидравлическую активность кислых граншлаков влияет размер гранул. При этом он считает, что меньшие зерна обладают большей (в 2 раза) активностью, чем крупные. Он объясняет это различным содержанием стекловидной фазы: 95-97% в мелких, 85-99% в крупных. В. Крамер [13] обнаружил, что, наоборот, крупные зерна основного гранулированного шлака обладают большей активностью, чем такие же зерна кислого шлака. Им же было установлено, что прочность цементов на основе гранулированных шлаков с низкой плотностью и ячеистой структурой на 35...45 % выше прочности цементов со шлаком, имеющим плотную стекловидную структуру. У. Лайтон и НА. Торопов [18] установили, что в зависимости от условий охлаждения доменные шлаки получаются с различной микроструктурой, соответственно меняются их свойства.
Исследованиями [126] выявлено, что присутствие кристаллического материала в стекле улучшает размалываемость и реакционную способность шлака.
Химический состав и технологические свойства
В процессе экспериментальных исследований гранулированный шлак предварительно высушивался в сушильных шкафах при t 100-120 С до остаточной влажности не более 2 %. Помол шлака осуществлялся в фарфоровых шаровых мельницах до удельной поверхности 350 и 500 ±10 м2/кг. Удельная поверхность определялась на приборе ПСХ - 500 методом воздухопроницаемости (по скорости прохождения воздуха через слой, исследуемого материала).
В качестве активаторов твердения использовались: известь гидратная 5..15% ГОСТ 9179-77, гипс 5... 10% ГОСТ 4013-82, портландцемент 10...20%, жидкое стекло ГОСТ 13078-81 с силикатным модулем Мс = 3.28 и комбинации указанных ингредиентов.
Образцы готовились двумя методами: пластическим и полусухим формованием. Нормальная густота цементного и шлакового теста определялась в соответствии с ГОСТ 34104-81 с помощью прибора Вика.
Затворение шлакового, цементно-шлакового и цементно-песчаного растворов производилось на питьевой воде, удовлетворяющей требованиям ГОСТ 23732 - 85 "Вода для бетонов и растворов". Белгородская водопроводная вода имеет рН = 7,12 (рН дистиллированной воды 6,5). Карбонатная жесткость на май 1998 года составила 5,6...5,6, общая 8,1 (мг-экв/л).
На поисковой стадии исследования готовились образцы размером 30x30x30 мм. Полусухое формование проводилось на 50-ти тонном гидравлическом прессе при давлении Р = 20 МПа. Перед тепловлажностной обработкой образцы предварительно выдерживались в воздушно-влажных условиях (влажность 90 %) при t = 20 С в течении 24 ± 2 час. - для цементных образцов; и в течении 60 ± 2 час. - для образцов на основе доменных шлаков.
При отработке оптимальных составов мелкозернистых бетонов готовились балочки в соответствии с ГОСТ 310.4 - 81 размером 40x40x160 мм. На этой стадии экспериментальных исследований изучались свойства 7-ми составов мелкозернистых бетонов на искусственном мелком заполнителе шлаковом песке АО "Новолипецкий металлургический комбинат" (ГОСТ 9757-90) с модулем крупности Мк=2.5, вычисленным с точностью до 0.1 по полным остаткам в процентах на ситах 2.5, 1.25, 0.63, 0.315, 0.14. Соотношение вяжущего и заполнителя составляло 1:3, 1:1, 3:1. Контрольные образцы готовились из цементного раствора, состоящего из одной части портландцемента и трех частей Вольского нормального песка (ГОСТ 8735-83).
Нормальная густота, расплыв конуса цементно-песчаных и цементно-шлаковых растворов определялись с помощью встряхивающего столика и формы - конуса в соответствии с ГОСТ 310.4-81. Консистенция раствора характеризовалась расплывом конуса на встряхивающем столике в пределах 106-115 мм.
Для изготовления образцов мелкозернистых бетонов применялся метод пластического формования. Через 24+2 ч хранения в камере с относительной влажностью 95 % (для цементно-песчаных составов) и 48+2 (для цементно-шлаковых составов) образцы извлекались из форм и помещались в ванну с водой. Испытание образцов на прочность при изгибе и сжатии происходило в 7, 14 и 28-суточном возрасте. По истечении срока хранения образцы извлекались из воды и, предварительно вытертые насухо, испытывались.
Прочность образцов при изгибе определялась на приборе МИИ 100 и разрывной машине Р-0.5. Предел прочности при изгибе определялся, как среднее арифметическое по результатам испытания трех образцов. Полученные после испытания на изгиб 6 половинок балочек испытывались на сжатие на гидравлических прессах ПСУ-50 и ПСУ-10. Точность показаний составляла ±2%. Для передачи нагрузки на половинки балочек использовали специальные стальные пластинки размером 40x62.5 мм. Каждую половинку балочки помещали между двумя пластинами таким образом, чтобы боковые грани, которые при изготовлении прилегали к продольным стенкам формы, находились на плоскостях пластинок, а упору пластинок плотно прилегали к торцовой гладкой стенке образца. Образец вместе с пластинками подвергали сжатию на прессе. Скорость нарастания нагрузки составляла (2±0.5 МПа/с). Прочность на сжатие отдельного образца вычисляли, как частное от деления разрушающего груза на рабочую площадь пластинки. Средняя прочность определялась по результатам четырех испытаний.
Образцы готовились из рабочих составов сериями (по 3-4 образца). Всего было исследовано 1200 образцов, что позволяет говорить о достаточно высокой достоверности, полученных результатов. Фазовый состав шлаков и продуктов гидратации шлакового камня исследовался методом рентгено-фазового анализа, дифференциально-термическим и кристаллооптическим методами.
Рентгено-фазовый анализ проводился на аппаратах "ДРОН - 3". Запись дифрактограмм производилась при следующих режимах: рентгеновские трубки БСВ-24 (Си - анод, Ni - фильтр), сцинтилляционный БДС - 6 - 05, напряжение на трубке - 28 кВ, анодный ток - 28 мА, шкала скорости счета - 4000 имп/с, постоянная времени - 0,5 с, скорость поворота счетчика - 2 град/мин, скорость протяжки диаграммной ленты - 600 мм/ч, размер щелевых вертикальных диаграмм у счетчика - 0.5x10 мм.
Дифференциально-термический анализ проводился на дериватографе фирмы "MOM" системы Ф. Паулик, М. Паулик и Л. Эрдей Венгерского оптического завода. Съемку выполняли со следующими параметрами: навеска -1000 мг; TG - 200 мг; ДТС и ДТА - 1/5; At - 10 С/мин; t - 1000 С; т - 100 мин. Кристаллооптичесие исследования проводились на поляризационном микроскопе МИН - 8.
Влияние дозировки портландцемента на прочность шлакового камня
В порядке уменьшения эффективности, добавки для пластического формования располагаются в следующем порядке: жидкое стекло портландцемент гидратная известь + гипс гипс гидратная известь. Для сухого формования: портландцемент жидкое стекло гидратная известь + гипс гидратная известь. Последующие экспериментальные исследования проводились с 6-ю наиболее характерными составами при тех же режимах гидротермальной обработки (рис. 4.4...4.7): - шлак 100%; - добавка извести 10 %; - добавка гипса 5 %; - добавка гипса 5 % и извести 5 %; - добавка портландцемента 20 %; - добавка 12...30 % жидкого стекла с р= 1010 кг/м . Использовались исходные гранулированные шлаки: АО "Новолипецкий МК" (содержание кристаллической составляющей 15 %), АО "КМЗ" г. Тула (содержание кристаллической составляющей 20 %), АО "Северсталь" г. Череповец (содержание кристаллической составляющей 8-10 %); ОАО СП "Тулачермет" (кристаллическая фаза отсутствует).
Цель экспериментальных исследований заключалась в определении роли механической активации и количества кристаллической фазы в шлаках на их активность.
Сравнительный анализ полученных результатов показывает, что с увеличением содержания кристаллической фазы для липецких шлаков (рис. 4.2, 4.5, 4.6) наблюдается некоторое снижение активности лишь в случае применения метода пластического формования. При полусухом формовании не происходит существенных изменений, за исключением случаев использования в качестве активаторов портландцемента и жидкого стекла, роль которых возрастает. Для шлака АО "КМЗ" в случае использования метода пластического формования, наблюдалась более высокая активность (рис. 4.5 а), при полусухом формовании были получены данные, сопоставимые с ранее полученными результатами.
Образцы из доменного гранулированного шлака АО "Северсталь" г. Череповец показали несколько меньшую прочность по сравнению с новолипецкими и тульскими (рис. 4.7). Шлак АО "Северсталь" слабо активируется даже в присутствии жидкого стекла.
На рис. 4.3-4.6 отражены также результаты исследования влияния удельной поверхности шлака (Буд - 350 и 500 м /кг) и способа формования образцов на прочность шлакового камня с различными добавками. Анализ показывает, что: - рост удельной поверхности в 1.5 раза при пластическом формовании увеличивает в 1.2... 1.4 раза прочность шлакового камня без добавок и в присутствии всех видов активаторов; - при полусухом формовании механическая активация не оказывает существенного влияния на активность шлака, в том числе в присутствии активаторов; - чем ниже удельная поверхность шлака, тем больше преимущество портландцемента, как активатора перед жидким стеклом.
Таким образом, результаты исследований позволили выявить следующие закономерности. Все исследуемые гранулированные шлаки можно отнести к категории самоактивирующихся. Совершенно четко просматривается для всех шлаков отрицательное действие извести на прочность шлакового камня. Не исключено, что эта особенность связана с наличием в них ольдгамита, который отличается быстрым гидролизом в водной среде, в результате чего рН водной вытяжки шлаков достигает 11.0... 11.8, что и вызывает активацию процесса гидратации. Низкую эффективность гипса в данном случае можно объяснить низким содержанием в этих шлаках оксида алюминия (до 7 %). Приведенные экспериментальные данные о влиянии добавок извести, гипса на твердение шлаковых вяжущих не подтверждает приведенные в работах [6, 8] данные о высокой активирующей роли этих добавок на твердение шлакового камня.
На рисунках 4.8 - 4.9 представлены результаты испытаний образцов на основе доменного отвального шлака и шлаковой пемзы АО "Новолипецкий МК". Анализ экспериментальных данных свидетельствует о том, что отвальный медленно охлажденный кристаллический доменный шлак АО "Новолипецкий МК" не обладает вяжущими свойствами даже в присутствии активаторов твердения и при увеличении тонкости помола. В то же время вяжущие свойства практически шлаковой пемзы состоящей полностью из кристаллической фазы сопоставимы с некоторыми видами гранулированного шлака.
Большинство образцов полученных методом пластического и полусухого формования, имели высокую морозостойкость (более 200 циклов). На рис. 4.11 и 4.12 помещены гистограмма и график зависимости стсж от температуры гидротермальной обработки, отражающие изменение прочности до и после 50 циклов испытания на морозостойкость. Испытание на морозостойкость не только дает представление о сопротивляемости действию смены температур, но и позволяет судить о долговечности полученного материала. Как известно, объем воды при переходе в лед увеличивается приблизительно на 10 %. Разрушение материала при замораживании происходит за счет большого гидравлического давления образованных кристаллов льда в порах, капиллярах и трещинах, вызывая растягивающие напряжения. Многократное попеременное замораживание и оттаивание приводит к постепенному разрушению цементного камня. Введение в состав вяжущего доменных гранулированных шлаков обеспечивает наибольшую степень завершенности структурообразования цементирующего вещества, в результате образования низкоосновного тоберморитового геля, заполняющего поры и капилляры цементирующего вещества.
Исследование фазового состава и продуктов гидратации шлаков
Они показывают, что оптимальный состав также, как и при нормальном твердении содержит 60 % шлака и 40 % портландцемента, при 25% заполнителя.
Обращает на себя внимание необычная кинетика твердения шлакового камня со шлаковым заполнителем - для оптимального состава график кинетики имеет прямую линию (рис. 5.2), что свидетельствует о нулевом значении коэффициента торможения. Очевидно, это обусловлено эффектом активного заполнителя, который заключается в том, что частицы шлака в противоположность песчаным частицам, активируются с поверхности, что сопровождается образованием связующего слоя на поверхности заполнителя, обеспечивающего химическое сцепление вяжущего и шлакового заполнителя [111,112].
Резюмируя изложенное, можно отметить, что мелкозернистые бетоны со шлаковым заполнителем отличаются рядом специфических особенностей. Прежде всего, это касается их состава. Из-за повышенной шероховатости поверхности и пористости шлаковых гранул, мелкозернистые бетоны, содержащие шлак, необходимо готовить с более высоким содержанием вяжущего компонента, чем в цементно-песчаных смесях. Оптимальная дозировка шлакового заполнителя составляет 25...50 % при использовании вяжущего, содержащего 20...40% портландцемента без минеральных добавок, оптимальное содержание шлакового заполнителя, очевидно, возрастает.
В конечном счете, оптимизация составов мелкозернистых бетонов со шлаковым заполнителем и шлаковым вяжущем, должна производится на основе технико - экономических показателей материалов. В этой связи уместно подчеркнуть, что доменные гранулированные шлаки АО «Северсталь» и АО СП «Тулачермет», практически не используются в строительном комплексе России. Весьма в ограниченных масштабах, как добавка к портландцементу находят применение шлаки АО «Новолипецкий МК». Использование этих шлаков в качестве активного заполнителя бетонов позволит не только производить строительные изделия и конструкции с повышенной коррозионной стойкостью в различных средах, но и существенно улучшить экологическую обстановку в регионах, где окружающая среда испытывает повышенные нагрузки от отходов черной металлургии. 1. Из-за сильной шероховатости поверхности и пористости шлаковых гранул мелкозернистые бетоны на их основе требуют повышенного расхода вяжущего, по сравнению с цементно-песчаными смесями. 2. Максимальные проявления эффекта активного заполнителя наблюдаются при содержании шлакового песка в количестве 25...50 %. 3. Высокопрочный мелкозернистый шлакобетон получен при использовании в качестве вяжущего шлако-цементной системы с 20 и 40 % портландцемента, 25 % заполнителя (шлакового песка Мк=2.5). 4. С увеличением доли портландцемента в вяжущем, оптимальная дозировка шлакового заполнителя возрастает.
Расчет экономического эффекта использования доменного гранулированного шлака при производстве силикатного кирпича и других силикатных материалов производился применительно к ОАО "Череповецкий завод силикатного кирпича". Это обусловлено тем, что в Северо-Западном регионе, где расположено ОАО "Северсталь", наблюдался большой дефицит портландцемента и извести. При этом, огромное количество доменного гранулированного шлака АО "Северсталь" практически не используется. В данной работе было показано, что доменный шлак комбината "Северсталь" может быть использован взамен вяжущего автоклавного твердения. Ниже приводится экономический расчет для производства силикатного кирпича.
В письме главного технолога этого завода В.И. Ивановой приведены данные о стоимости основных материалов, используемых ОАО "Череповецкий завод силикатного кирпича для производства его продукции. Из приведенных данных видно, что наиболее дорогостоящим компонентом является известь, себестоимость которой в ценах 1996 г составляет 215100 руб за тонну.
Далее приведены сведения об объеме производства силикатного кирпича, его марки и морозостойкость. В пункте 5 приведена динамика изменения отпускных цен на 1000 штук утолщенного силикатного кирпича без НДС. Из этих данных видно, что с 1.02 до 1.11.1996 г цена силикатного кирпича возросла с 280 до 614 тыс. руб., то есть на 220 %, что свидетельствует о крайней нестабильности цен в рассматриваемый период. Далее приводится ориентировочный расчет экономического эффекта от предлагаемого внедрения технологии получения силикатного кирпича с использованием доменного шлака АО "Северсталь" в условиях Череповецкого завода силикатного кирпича. При этом обращает на себя внимание большая разница стоимости извести, как основного компонента известково-песчаного вяжущего и шлака (215000 и 15000 руб за тонну соответственно). Из пункта 7 расчетных данных видно, что затраты по сырью и материалам на 1000 штук утолщенного силикатного кирпича при использовании базовой технологии составляют 145000 руб, а по новой технологии - 60000 руб. Годовой экономический эффект рассчитывается по формуле: ЭНЦг-Су-В-ЩгС,) .в, где Эг - годовой экономический эффект, руб; Ц2 - отпускная цена силикатного кирпича с использованием в качестве вяжущего доменного гранулированного шлака, руб; Сг - полная себестоимость 1000 штук этого кирпича, руб; Ці - отпускная цена 1000 штук условного кирпича изготовленного по базовой технологии, руб; Сі - полная себестоимость 1000 штук условного кирпича по базовой технологии, руб; В - годовой выпуск кирпича в тыс. штук. Годовой экономический эффект составляет 605 млн. руб в ценах 1996 года.
Необходимо подчеркнуть, что в приведенном расчете предусматривается существенное снижение отпускной цены кирпича с 614000 руб до 540000 руб, то есть на 12 %. Это обстоятельство имеет большое значение в современной реальной обстановке, которая характеризуется низкой покупательной способностью потребителей строительных материалов, в связи с этим фактический эффект от внедрения возрастает, так как увеличивается объем реализации готовой продукции.
