Шлакопортландцемент: вяжущие на основе шлаков
В
начале 20 века производители чугуна начали искать возможные сферы применения
доменного шлака - продукта, полученного вместе с чугуном в доменной печи в виде расплава.
В 1908 году компания «Карнеги Стал» начала исследование возможных областей
применения доменного шлака.
В
1911 году в отчете компании «Карнеги Стил» - «Использование доменного шлака в
производстве бетона» впервые обосновано говорилось о возможности использовать доменный шлак в
производстве бетона.
К
1917 году стало очевидно, что шлак является ценным продуктом, и что компаниям -
производителям шлака стоит объединиться для более эффективного продвижения
нового продукта. В 1918 году в США была создана Национальная Шлаковая
Ассоциация. В 1919 году в США существовало 14 компаний - производителей шлака,
которым принадлежало 32 завода.
За
все время существования человечества доменный шлак прошел путь от использования
в дорожном строительстве (в качестве агрегата) в Античном Риме до ценного
строительного материала с разнообразными сферами применения в наше время.
Сейчас шлак находит широкое применение в строительной индустрии, включая:
производство гранулированного доменного шлака, смешанного (многокомпонентного
цемента), гидравлических закладок, монолитного и конструкционного бетона,
асфальтобетона, гранулированного заполнителя, минеральной ваты, кровельного
материала, стекла, проведения оструктуривания почвы и много другого.
Определение и описание шлака
Американское
общество по испытанию материалов (ASTM C125) определяет
доменный шлак как «неметаллический продукт, состоящий в основном из силикатов и
алюминатов кальция, полученный вместе с чугуном в доменной печи в виде
расплава».
При
производстве чугуна в доменную печь загружают железную руду, флюсовый камень
(известняк и/или доломит) и кокс. Получаемая на выходе из печи продукция -
расплавленный чугун и шлак. Шлак состоит в основном из кварца и оксидов
алюминия (от железной руды) и оксидов кальция и магния (от флюсового камня). Из
печи шлак выходит в расплавленном состоянии, причем температура расплава может
превышать 14807С (27007F). Существует
четыре основных способа обработки расплавленного шлака: охлаждение воздухом,
быстрое охлаждение холодной водой (вспучивание шлака), дробление и помол. При
каждом из данных методов обработки получается уникальный шлаковый материал,
обладающий отличительными свойствами.
Химические свойства
Основные составляющие доменного шлака - кварц, оксиды
алюминия, кальция и магния, на которые приходится 95 % всего состава шлака.
Остальные 15 % - марганец, соединения железа и серы и следовое количество других
элементов. Однако, следует отметить, что основные оксиды, входящие в состав
шлака не встречаются в свободной форме. В доменном шлаке, охлажденном воздухом,
оксиды объединяются в различные силикаты и алюмосиликатные минералы, такие как
мелилит, мервинит, волластонит и др., которые также существуют в виде природных
пород. В дробленом и молотом шлаках, данные элементы присутствуют в виде
стекла. Химический состав шлаков варьируется в очень узких пределах, поскольку
все сырье, загружаемое в доменную печь, очень тщательно отбирается и
смешивается.
Типичный химический состав
доменного шлака, %
|
Кварц (SiO2)
|
32-42
|
оксид алюминия (А12О3)
|
7-16
|
оксид кальция (СаО)
|
32-45
|
окись магния (MgO)
|
5-15
|
сера (S)*
|
1-2
|
оксид железа (Fe203)
|
1-1,5
|
оксид марганца (МnО)
|
0,2-1,0
|
* в
основном в виде сульфида кальция
Физические свойства
Физические
характеристики шлака, такие как вес, размер частиц, структурные свойства и т.д.
различаются в зависимости от метода обработки расплавленного шлака.
Соответственно, конечное применение обработанного шлака также различается в
зависимости от метода обработки.
В
последнее время в России и других странах большое внимание уделяется проблеме
использования вторичных ресурсов. Одним из наиболее перспективных направлений
утилизации промышленных отходов является использование их в производстве
строительных материалов.
Металлургия
занимает одно из ведущих мест среди других отраслей промышленности. На основных
технологических переделах производства черных и цветных металлов образуются
побочные продукты - отходы, химико-минералогический состав и
физико-механические свойства которых позволяют считать их ценным сырьем для
производства строительных материалов. Основная масса отходов металлургических
процессов образуется в виде шлаков.
Шлаки
- продукты высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов
- топлива, руды, плавней и газовой среды. Трудно, пожалуй, найти другое сырье,
которое обладало бы таким множеством ценных качеств и при этом так долго
пробивало бы путь к широкому применению в строительной промышленности, как
шлак. Во многих районах страны из шлака построены многоэтажные дома,
промышленные здания, возведены мосты и плотины, проложены ленты автострад. Из
обременительного отхода он становится признанным сырьем строительной
промышленности.
Самая
ранняя попытка использования доменного шлака относится к 1589 г., когда в
Германии из него отливали пушечные ядра. В строительстве шлак стали применять
только в 18 веке. В Нижнем Тагиле из шлаковых расплавов начали отливать плиты
для ступеней, брусчатку для дорог. В Швеции литые шлаковые камни применялись вместо
кирпича для кладки верхней части шахт доменных печей. В России и других странах
отвальный шлак использовали в качестве щебня при постройке дорог. В последующие
годы ценные свойства шлаков еще больше привлекают внимание ученых и практиков
во всем мире к проблеме применения шлаков в строительстве.
Для
решения вопросов организации переработки шлаков, использования их, координации
научных исследований и опытных работ, в Москве в 1933 г. была создана
Всесоюзная контора по шлакопереработке. Во многих странах созданы специальные
институты и организации, занимающиеся вопросами использования шлака в
строительстве, иногда на базе металлургических заводов: в США - Национальная
шлаковая ассоциация, во Франции -Техническая ассоциация по изучению и
использованию доменных шлаков, в Канаде - Национальная шлаковая ассоциация, В
Англии - Британская ассоциация шлака. Организация переработки шлаков в разных
странах неодинакова, что объясняется специфическими условиями каждой страны. В
Англии и Германии шлаковую продукцию, получают непосредственно на
металлургических заводах, в других странах шлак в жидком состоянии или частично
обработанный передают компаниям и специальным фирмам по производству
строительных материалов. Необходимо отметить весьма результативные действия Национальной
шлаковой ассоциации США, к заслугам которой относится создание
шлакоперерабатывающей индустрии. Шлак признан минеральным сырьевым материалом.
Переработка шлака в основном осуществляется фирмами, независимыми от
металлургов, и только в немногих случаях металлургические компании
перерабатывают шлак для своих нужд и продают его [3]. В США, Англии, Германии,
Франции воздушно охлаждаемые металлургические шлаки в основном перерабатываются
на щебень, применяемый в качестве балласта при строительстве железных дорог, а
также используют как заполнитель при сооружении аэродромных покрытий и
автомобильных дорог. Асфальтобетонные покрытия с применением шлакового
заполнителя характеризуется высокой прочностью, устойчивостью к истиранию,
большим коэффициентом сцепления, отсутствием сдвиговых деформаций. Вся
продукция шлакопереработки экономически выгодна. Например, шлаковый щебень в
1,5-2 раза дешевле природного и требует в 4,5 раза меньше удельных капитальных
вложений. Шлаковая пемза в 3 раза дешевле керамзита и требует в 1,5 раза меньше
удельных капитальных вложений.
Основным
видом промышленной продукции, производимой на основе металлургических шлаков,
является шлакопортландцемент. Впервые гранулированный шлак был применен как
добавка при производстве цемента в Германии в 1892 г.
Шлакопортландцемент
- это гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе,
получаемое совместным тонким измельчением портландцементно-го клинкера и
гранулированного шлака. Содержание шлака в шлакопортландцементе по ГОСТ 10178-85
должно составлять не менее 21 и не более 60 % массы цемента [5]. По
американскому стандарту содержание шлака должно составлять от 25 до 65 %, по
английскому не больше 65 %. В Германии стандартизованы два вида
шлакопортландце-мента: железопортландцемент, содержащий не более 35 % шлака, и
доменный цемент с содержанием шлака от 31 до 85 %. Во Франции выпускаются 4
вида шлакопортландце-мента: железопортландцемент с 20-30 % шлака, смешанный
металлургический цемент с 50 % шлака, доменный цемент с 70 % шлака и
шлако-клинкерный цемент, содержащий не менее 80 % шлака. Каждый из этих видов
цемента делится на две марки по прочности. В Германии каждый вид
шлакопортландцемента имеет три марки по прочности, а в Англии и США - только
одну марку, как и обыкновенный портландцемент.
Шлакопортландцементы
широко применяются в настоящее время во многих странах для общих строительных
работ, для гидротехнических сооружений и для сборных железобетонных изделий
(например, бетонные трубы). По прочности они не уступают портландцементу, но
нуждаются в более тщательном уходе при повышенных и пониженных температурах.
Исторически
сложилось так, что доменные гранулированные шлаки в России и некоторых
европейских странах используются преимущественно для производства вяжущих
материалов, особенно для производства шлакопортландцемента. В США и Японии они
применяются в основном для производства заполнителя. Последнее направление
позволяет вовлечь в строительный комплекс значительно большее количество шлака,
чем в производство из него вяжущих веществ. Особенно эффективно производство
шлакового щебня при использовании технологии придоменной переработки шлака. При
этом используется та тепловая энергия, которая была аккумулирована шлаковым
расплавом в процессе производства чугуна. Такая технология позволяет достичь
значительную экономию топливно-энергетических ресурсов.
В
последние годы наблюдается рост шлаковых отвалов вокруг металлургических
заводов России. Одной из причин уменьшения использования доменных
гранулированных шлаков цементной промышленностью является падение спроса на
шлакопортландцемент. В этой связи приобретает большое значение расширение
масштабов производства шлакового заполнителя, в том числе шлаковой пемзы,
которая является заменителем керамзита, а также литого шлакового щебня для
тяжелых бетонов.
Необходимо
подчеркнуть, что бетоны с заполнителем из доменных гранулированных шлаков
отличаются рядом преимуществ перед традиционными бетонами. Как было установлено
в работах доменный шлак в составе портландцементного бетона выполняет функцию
активного заполнителя, т.е. его поверхностный слой реагирует с гидроксидом
кальция, выделяющимся при гидролизе алита. При этом образуется дополнительное
количество гидросиликатов кальция, которые создают чрезвычайно прочную связь
заполнителя с цементной матрицей, полностью исчезают капиллярные каналы,
которые в результате усадки цементного камня образуются между ним и
поверхностью заполнителя. Это приводит к значительному повышению коррозионной
стойкости бетона с активным заполнителем по сравнению с традиционными составами
в большинстве агрессивных сред, в том числе даже против такого грозного вида
химической агрессии, как кислотная. Кроме того, благодаря специфической
структуре и отсутствию микрозазоров на границе раздела вяжущего и заполнителя,
такие бетоны обладают отличительными физико-механическими характеристиками.
Именно этим обусловлено широкое применение бетонов на шлаковом заполнителе в
США, Японии и других странах.
В
России шлаковый заполнитель используется сравнительно редко, поэтому имеются
огромные резервы расширения производства бетонов на шлаковом заполнителе, что
позволит приостановить рост шлаковых отвалов в районах расположения
металлургических заводов России.
(Журнал «Ценообразование и
сметное нормирование в строительстве, № 5, май 2008 г.)