2.3 Определение направления использования техногенных

продуктов по их химическому составу

Химический состав промышленных отходов достаточно сложен, в них встречается до 30 различных химических элементов, влияние которых на свойства породы как сырья для производства строительных материалов зависит от количества оксида в продукте. По характеру и свойствам промышленные отходы подразделяются на «кислые», «основные» и «нейтральные», «активные» и «неактивные», что оценивается модулем основности и модулем активности.

Модуль основности М_о определяется отношением содержащихся основных оксидов к общей сумме кислотных окислов, %, (формула 2.4):

; (2.4)

По модулю основности шлаки делятся на: кислые М_о<1; нейтральные М_о=1; основные М_о>1.

Модуль активности М_а характеризуется отношением, %, глинозема к содержанию кремнезема (формула 2.5).

; (2.5)

При М_а < 2,5 сырье относится к малоактивному, для производства вяжущих веществ требуется введение активизирующих добавок.

Свойства шлаков как сырья для получения вяжущего характеризуются коэффициентом качества К, который определяют по формулам (2.6) и (2.7) и позволяет присвоить сортность сырью.

- при содержании MgO до 10%

, (2.6)

- при содержании MgO более 10%

, (2.7)

Согласно ГОСТ 3476-74 «Шлаки доменные и электротермофосфорные гранулированные для производства цемента», доменные гранулированные шлаки делятся на 3 сорта (таблица 2.3).

Таблица 2.3 – Показатели качества гранулированных доменных шлаков

Показатели	1сорт	2сорт	3сорт
Коэффициент качества не менее	1,65	1,45	1,20
Al2O3, % не менее	8,0	7,5	Не нормируется
MgO, % не более	15,0	15,0	15,0
TiO2, % не более	4,0	4,0	4.0
MnO2, % не более	2,0	3,0	4.0

Для оценки техногенных продуктов на применение в производстве строительных материалов предложен коэффициент основности силикатов (К_осн), который аналогичен коэффициенту насыщения (КН) Кинда.

По Кинду (КН) представляет собой отношение количества оксида кальция, фактически связанного кремнекислотой, к его количеству, теоретически необходимому для полного связания кремнекислоты в трёхкальциевый силикат. Для определения КН пользуются упрощённой формулой (2.8):

(2.8)

где СаО, Аl₂О₃, Fе₂О₃, SiО₂ – общее содержание соответствующих оксидов, %.

Коэффициент насыщения применяется в расчете состава сырья для получения цементного клинкера и колеблется в пределах 0,82-0,96.

Недостаток КН в том, что он учитывает только содержание СаО, исключает содержание МgО, R₂О и других оксидов и не дает визуального представления о составе силикатов кальция. Для исключения этих недостатков предложено ввести коэффициент основности (К_осн), который можно использовать для характеристики различных промышленных отходов, которые целенаправленно рекомендовать использовать для производства различных строительных материалов и изделий.

Установлено, что вяжущие свойства, например, шлаков появляются уже при К_осн=1 и усиливаются по мере его роста (таблица 2.4).

Таблица 2.4 – Влияние К_осн на прочность образцов из металлургических шлаков при различных условиях твердения.

Косн	Прочность, МПа
	Нормальное твердение		Пропарка	Автоклавная обработка
	7 дней	28 дней	28 дней	7 дней	28 дней
0,18	0,0	0,0	0,0	1,5	-
0,33	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
1,01	-	10,8	-	40,0	-
1,27	-	9,2	7,5	40,4	-
1,46	0,2	0,6/6,3	1,1	-	-
1,92	0,2	0,7/1,6	1,7	6,8/15,3	11,0
2,06	0,1	0,8/1,2	1,0	7,2/13,0	10,8
2,28	1,7	2,9/3,0	5,4	1,6/13,3	11,9
2,42	1,6	2,4/4,6	3,4	9,4/9,0	9,9
2,58	3,2	4,9/15,8	5,8	5,0/16,7	7,2
2,73	4,2	6,9/23,7	6,5	7,0/31,0	9,1
Примечание. В числителе раствор 1:3, в знаменателе тесто 1:0

В общем виде К_осн определяется по формуле (2.9):

(2.9)

В формуле К_осн выражение в числителе (СаО+0,93МgО+0,6R₂О) показывает общее (валовое) содержание (в %) «условной СаО». Чем ее больше, тем активнее материал. Вычитаемое – (0,55Аl₂О₃+0,35 Fе₂О₃+0,7SО₃) определяет количество (в %) СаО, связываемой соответствующими оксидами и не участвующей в образовании силикатов. При слишком большом содержании этих оксидов можно получить отрицательное значение. Это показывает недостаток щелочных компонентов, в частности извести (СаО). Знаменатель показывает, сколько СаО необходимо для образования моносиликата кальция. Если К_осн =1, образуется СS, при К_осн=2 образуется С₂S, при К_осн =1,5 следует ожидать образования и СS, и С₂S. Количественное значение К_осн характеризует основность сырья. К_осн теоретически может изменяться от + ∞ до - ∞.

Все минеральные строительные материалы и сырье для их производства (природное и техногенное) можно разделить на 5 групп по величине коэффициента основности:

• ультраосновные К_осн от 1,6 до +∞;

• основные – 1,2…1,6;

• средние – 0,8…1,2;

• кислые – 0,0…0,8;

• ультракислые – менее 0,0 до -∞.

Установлено, что вяжущие вещества: цементы, гипсы, жидкое стекло-отличаются высоким содержанием оксидов первой и второй групп периодической системы элементов и К_осн≥1,6. Для их производства необходимо сырье с соответствующими характеристиками.

Известно, что полиминеральные попутные продукты с К_осн >1,2 (шлаки, шламы, золы), прошедшие соответствующую тепловую обработку, обладают вяжущими свойствами, которые увеличиваются с ростом значения К_осн.

Для керамики, автоклавных материалов, стекла, минеральной ваты и др. характерно значение К_осн<1,2 до ультракислого включительно.

Формула К_осн позволяет без сложных экспериментов, только по ва­ловому химическому анализу путем вычислений определить путь исследо­вания и дальнейшего использования техногенного продукта (рисунок 2.4).

При содержании в сырье оксидов, не учтенных формулой К_осн, в количествах более 1% необходимо внести в формулу поправку, определить ее знак («+» или «-») и местоположение (в числителе или знаменателе). В минеральных попутных продуктах наиболее часто присутствуют следующие оксиды:

СО₂ в вычитаемом числителя со знаком +1,28=+1% СаО

Р₂О₅ то же +1,33=+1% СаО

К₂О в уменьшаемом числителя со знаком +0,59=+1% СаО

Nа₂О то же +0,90=+1% СаО

ТiО₂ в знаменателе со знаком +0,62=+1%SiО₂

FеО то же -0,83=-1% SiО₂

С учетом этих оксидов формула К_осн будет иметь вид:

К_осн=

Рисунок 2.4 – Направление использования техногенных продуктов в зависимости от К_осн

Зная К_осн можно не только характеризовать исходное сырье, но и рассчитать состав шихты, например, для получения вяжущего, с учетом направленного процесса минералообразования в конечном продукте.

На качественные характеристики искусственного строительного камня конгломератной структуры влияет множество технологических факторов: соотношение исходных материалов, их дисперсность, степень кристаллизации, минералогический состав, влажность, надежность дозирования и перемешивания компонентов; условия формования изделий; режим тепловой обработки; условия хранения и обработки изделий; состояние транспортных путей и условия транспортирования полуфабрикатов и готовых изделий и многие другие производственные факторы, которые иногда решающим образом сказываются на технико-экономических показателях производства в целом.

Можно ли в таких условиях, опираясь только на один показатель – К_осн, правильно выбрать исходное сырьё и прогнозировать качество товарной продукции. Положительный ответ на этот вопрос обуславливается следующим.

Производство строительных материалов базируется на законах химической технологии. При этом определяющим фактором является правильный расчет шихты, контроль химического состава которой возможен в заводских условиях. Коэффициент основности обеспечивает выполнение этих требований.

На действующих предприятиях основное технологическое оборудование обладает определёнными характеристиками и работает в заданном режиме. Следовательно, после определения состава шихты технологу остаётся отработать режимы тепловой обработки, поскольку значительных отклонений в режимах других переделов при определившейся схеме производства не должно быть. К настоящему времени накоплен солидный производственный и научный опыт, позволяющий с достаточной уверенностью выбирать измельчающее, дозирующее, смесительное, формующее и другое технологическое оборудование, чтобы не допустить грубых ошибок.