книги / Снижение экологической нагрузки при обращении со шлаками черной металлургии

Добавка молотого гранулированного доменного шлака не приводит к снижению прочности гидратированного глиноземистого цемента при нагревании в интервале 100–1000 °С (табл. 6.11 и 6.12).

Таблица 6 . 1 1

Составы жаростойких бетонов на заполнителях из доменных шлаков по данным УралНИИстройпроекта [4]

Применение шлаковой пемзы и глиноземистого цемента позволяет получить легкие жаростойкие бетоны с плотностью

271

1440–1600 кг/м3 и с максимальной температурой службы

800–1000 °С.

В качестве заполнителей и тонкомолотых добавок для жаростойких бетонов могут быть использованы также шлаки цветной металлургии. В частности, установлено, что на отвальных никелевых и медных шлаках с применением вяжущих из шлакопортландцемента и портландцемента с тонкомолотыми добавками гранулированных шлаков можно получить бетоны, которые по основным свойствам не уступают бетонам на доменных шлаках и могут быть использованы для строительства тепловых агрегатов с температурой службы 800–1000 °С.

Таблица 6 . 1 2

Физико-механический свойства жаростойких бетонов на заполнителях из доменных шлаков [4]

Некоторые шлаки после измельчения и введения при необходимости добавок могут выполнять роль вяжущих для жаро-

272

стойких бетонов. Из домолотых до удельной поверхности 3000–3500 см2/г распадающихся мартеновских шлаков с добавкой 5 % двуводного гипса можно получить гидравлическое вяжущее марок 100–150. Оно сохраняет свои свойства в затвердевшем состоянии до 600 °С, а с введением в качестве добавки тонкомолотого шамота – до 1200 °С. При определенных условиях возможно получение сталеплавильных шлаков, которые по составу близки к глиноземистому цементу и имеют прочность при сжатии через сутки твердения 20–60 МПа. В гидратированном состоянии они сохраняют 60–80 % исходной прочности при 1000 °С, после 1200 °С при частичном спекании их прочность возрастает.

Шлакощелочные бетоны. К бетонам этого вида относят бетоны, приготовленные на основе шлакощелочных вяжущих.

Ориентировочный состав шлакощелочных тяжелых бетонов (%):

−молотый гранулированный шлак – 15–30;

−щелочной компонент – 0,5–1,5;

−заполнители – 70–85.

При твердении таких бетонов щелочи взаимодействуют не только со шлаком, но и с заполнителями, в первую очередь с глинистыми и пылеватыми частицами, образуя нерастворимые щелочные гидроалюмосиликаты – аналоги природных цеолитов, способствующие уплотнению и повышению прочности материала. В связи с этим требования к заполнителям для шлакощелочных бетонов значительно снижаются. Помимо традиционных заполнителей (щебня, гравия, песка) для этой цели могут быть использованы многие дисперсные природные материалы и попутные продукты различных отраслей промышленности.

Из природных материалов широко используются многие местные грунты и рыхлые горные породы, такие как мелкие пески, супеси, лессы, гравийно-песчаные и глиногравийные смеси, которые из-за высокой дисперсности и загрязненности недопустимы для приготовления цементных бетонов. Содержа-

273

ние глинистых частиц может достигать 5 %, а пылеватых – 20 %. Недопустимо применение заполнителей, содержащих зерна гипса и ангидрита.

В качестве заполнителей для тяжелых и легких шлакощелочных бетонов из промышленных отходов можно применять различные шлаки, золы и золошлаковые смеси ТЭС, горелые породы, отходы камнедробления и камнепиления, в том числе известняковые, дисперсные органические отходы растительного происхождения и др.

Технология изготовления шлакощелочных бетонов позволяет использовать серийное оборудование. Молотый шлак перемешивают с заполнителем, а сухую смесь затворяют водным раствором щелочного компонента с плотностью 1100–1300 кг/м3. Мелкозернистые бетонные смеси перемешивают в бетоносмесителях принудительного действия. При приготовлении бетонных смесей щелочной компонент способствует значительному пластифицирующему эффекту.

Рекомендуемые методы формования изделий – это вибрирование, вибропрессование, прокат и др. При изготовлении монолитных конструкций применяют виброуплотнение, трамбование, торкретирование. Для создания оптимальных условий твердения в монолитных конструкциях поверхность свежеуложенного бетона защищают от высыхания защитными покрытиями на основе битумных или других эмульсий, пленками, матами и др.

Характеристики шлакощелочных бетонов. Показатели прочности тяжелого бетона на сжатие характеризуются диапазоном значений 20–140 МПа. В зависимости от гарантированных значений прочности на сжатие установлены классы от В15 до В60 (параметрический ряд классов может быть продолжен от В70 до В110).

Прочность на растяжение составляет 1/10–1/15, а прочность на изгиб – 1/6–1/10 прочности на сжатие. Прочность пропарен-

274

ных изделий достигает 100 % и более марочной прочности. Автоклавная обработка активизирует рост прочности, в связи с чем продолжительность тепловлажностной обработки может быть значительно сокращена по сравнению с цементобетонными изделиями. Рекомендуемая продолжительность выдержки изделий до тепловой обработки – 2–3 ч.

Коэффициент размягчения шлакощелочных бетонов составляет 0,9–1,0, а иногда превышает 1,0.

Модуль упругости этих бетонов на крупном заполнителе такой же, как у цементных, предельная сжимаемость составляет 1–2 мм/м, предельная растяжимость – 0,15–0,30 мм/м.

Истираемость шлакощелочных бетонов равна 0,2–1,2 г/см2, что соответствует показателям истираемости горных пород типа гранитов и плотных песчаников.

Структура шлакощелочного камня характеризуется наличием мельчайших замкнутых пор округлой формы, что является следствием повышенного поверхностного натяжения щелочного раствора до затвердения. Такая структура предопределяет высокую водонепроницаемость и морозостойкость шлакощелочных бетонов. Для шлакощелочных бетонов характерны марки по водонепроницаемости W4–W30, по морозостойкости – F200–F1000.

Достаточная плотность шлакощелочных бетонов и постоянная щелочная среда обеспечивают высокую сохранность стальной арматуры. Стабильный водородный показатель среды (рН > 12) и хорошее сцепление бетона с арматурой позволяют изготовлять армированные конструкции из шлакощелочного бетона, в том числе и предварительно напряженные.

Для изделий из шлакощелочных бетонов характерна повышенная коррозионная стойкость, так как в продуктах их твердения нет высокоосновных гидроалюминатов кальция, вызывающих сульфатную коррозию цементов, а также отсутствует свободная известь, выщелачивание которой приводит к разрушению цементного камня в мягких водах. Вследствие этого по стойкости

275

в среде с низкой гидрокарбонатной жесткостью, минерализованных сульфатных и магнезиальных водах шлакощелочные бетоны превосходят бетоны не только на портландцементе, но и на сульфатостойком цементе. Кроме того, они являются стойкими к действию бензина и других нефтепродуктов, концентрированного аммиака, растворов сахара и слабых растворов органических кислот; отличаются также высокой биостойкостью.

Опыт применения шлакощелочных бетонов для зимнего бетонирования показал, что шлакощелочные бетонные смеси не замерзают и твердеют при температурах до –10…–15 °С.

При введении соответствующих добавок и заполнителей на основе шлакощелочных вяжущих получают бетоны с повышенной жаростойкостью.

При выборе определенных шлаков и заполнителей изготавливают декоративные материалы.

Шлакощелочные бетоны могут быть использованы как конструкционные материалы в промышленном и гражданском строительстве, а с учетом их особых свойств – и в других областях строительства (например, гидротехническом, водохозяйственном, дорожном, сельском, транспортном). Разработаны составы специальных растворов и бетонов: коррозионно-стойких, жаростойких, тампонажных, отделочных, для зимнего бетонирования и др.

Шлакощелочные бетоны экономически эффективны благодаря сравнительно низкой стоимости исходных материалов, малым удельным капитальным вложениям в производственную базу и транспортные расходы, экономии топлива, повышенной долговечности конструкций из них.

Расширение объема производства шлакощелочных бетонов сдерживается дефицитом щелочных растворителей.

276

6.6. Использование шлаков

в дорожном строительстве

Металлургические шлаки являются эффективным заменителем природных каменных материалов, использующихся для строительства и ремонта автомобильных дорог. Шлаковый щебень по своим свойствам не уступает щебню из твердых пород, а иногда и превосходит его.

Щебень, песок и их смеси в зависимости от физикомеханических свойств применяются для устройства всех видов конструктивных слоев дороги (покрытий, оснований, дополнительных слоев оснований и т.д.).

Достаточно прочные основания автомобильных дорог получаются из смеси активного шлакового щебня и щебня из слабых известняков. Щебень из мартеновских шлаков с успехом применяется для заклинки дорожного основания, изготовленного из гранитного щебня.

Особенностью асфальтобетонных покрытий, изготовленных с применением сталеплавильных шлаков, является отсутствие деформаций сдвига даже при интенсивном движении тяжелого транспорта.

В шлаковом щебне содержится частично мелочь; ее количество значительно возрастает при укатке шлака во время сооружения дорожного полотна. Порошкообразные сталеплавильные и доменные шлаки являются низкомарочным вяжущим и способны создавать монолитное основание дороги. Небольшие добавки цемента и извести в качестве активизатора значительно повышают прочность дорожного основания.

Основания из шлаков устраивают однослойными и двухслойными в зависимости от требований к их прочности и долговечности. Наибольшая толщина слоя может быть до 18 см при крупности материала до 110 мм; до 16 см – при крупности материала до 70 мм. Наименьшая толщина слоя устанавливается

277

с таким расчетом, чтобы размер наиболее крупной фракции составлял не более 0,70–0,75 толщины слоя.

При устройстве оснований фракционированный шлаковый щебень в зависимости от крупности применяется для верхних и нижних слоев оснований на дорогах I–V категорий способом заклинки. В качестве расклинивающего материала используются активные шлакощебеночные смеси фракции 0–20 (40 мм). Щебень фракции 10–20 мм применяется также при устройстве верхних и нижних слоев покрытий дорог III–V категорий путем обработки его органическими вяжущими материалами.

Щебеночное основание из шлаков имеет преимущества по сравнению с основанием из гранитного щебня. Щебень из шлаков легче укатывается благодаря большей шероховатости поверхности зерен. Если принять время укатки слоя основания дороги из гранитного щебня за единицу, то время укатки слоя такой же толщины из шлакового щебня будет 0,63–0,72. Основание из шлакового щебня долговечно.

Активные и высокоактивные шлакощебеночные смеси фракции 0–70 (0–120) мм оптимального зернового состава используются при устройстве верхних и нижних слоев полужестких оснований на дорогах I–V категорий. Малоактивные шлакощебеночные смеси активизируют CaCl2, Na2CО3,CaSО4.

Основную роль вяжущего в шлакощебеночных смесях играют шлаковый песок и шлаковая мука. На первоначальной стадии эксплуатации дороги полужесткое основание из активного шлака работает как материал, несущая способность которого обеспечивается плотностью скелета и заклинкой щебеночных фракций. Такие полужесткие основания не дают присадок и имеют повышенный модуль упругости от 300 до 400 МПа. В процессе эксплуатации основания полужесткого типа превращаются в монолитную устойчивую плиту. Модуль упругости полужестких оснований возрастает до 1200 МПа.

Песок из шлаков применяется для приготовления асфальтобетона и в качестве активной минеральной добавки.

278

Имеется практический опыт применения активного минерального порошка путем дополнительного помола активного доменного шлака фракции 0–5 мм и последующего смешения его в определенном соотношении с битумом. Опыт применения металлургических шлаков в дорожном строительстве позволяет сделать вывод, что автомобильные дороги могут полностью устраиваться из металлургических шлаков.

В работах ГосдорНИИ УССР (И.Г. Лыженко), СоюздорНИИ (В.М. Юмашов), УралНИИчермет (К.В. Киршина) показано, что строительство дорожных одежд с применением металлургических шлаков снижает их стоимость на 14–15 % по сравнению с равнопрочными конструкциями из гранитных материалов.

Одним из новых перспективных направлений использования шлаков черной металлургии является укрепление ими грунтов при создании оснований автодорог.

На основе экспериментальных лабораторных и производственных данных показана эффективность применения отвальных доменных, мартеновских и электросталеплавильных шлаков для стабилизации наиболее трудно укрепляемых связных грунтов в различных дорожно-климатических зонах нашей страны.

Как установлено исследованиями В.А. Мымрина, цементошлакогрунты, используемые в качестве материалов различных конструкций слоев оснований автодорожных одежд, обладают достаточно высокой прочностью, водо- и морозостойкостью. Так, прочность цементошлакогрунтовых материалов находится в пределах 1,4–8,2 МПа, коэффициент водостойкости – 0,96–1,17, а морозостойкости – 0,71–0,82. Длительный характер упрочнения материалов свидетельствует об их долговечности. Этот вывод, основанный на результатах лабораторных экспериментов, хорошо согласуется с наблюдением за модулем упругости конструкции дорожных одежд экспериментальных участков. В частности, за два года эксплуатации фактический общий модуль упругости дорожных одежд (153–330 МПа) значительно превысил его проектное значение (138 МПа).

279

Конструктивные слои дорожной одежды из цементошлакогрунтовой смеси либо устраивают методом смешения грунта с вяжущим материалом и водой непосредственно на дороге, либо приготавливают в стационарных смесителях.

6.7.Использование шлаков

всельском хозяйстве

ВРоссии имеются обширные площади земель с повышенной кислотностью. Такие почвы содержат мало питательных веществ, имеют плохие физические свойства и структуру, и поэтому малоплодородны даже при достаточном количестве влаги,

аиногда и при внесении минеральных удобрений. Известкование устраняет вредную для сельскохозяйствен-

ных растений кислотность почвы и обогащает ее кальцием, оказывает глубокое и многостороннее действие: уменьшает избыточную кислотность за счет нейтрализации почвы, значительно снижает содержание вредных для растений подвижных ионов алюминия. Почва становится более рыхлой, лучше удерживает влагу; повышается жизнедеятельность микроорганизмов, полезных для сельскохозяйственных растений.

На кислых почвах без известкования применение других удобрений малоэффективно, они оказывают даже отрицательное воздействие. Основным материалом для известкования кислых почв являются молотые известняк и доломит. В ряде районов страны ощущается острый дефицит в известковых удобрениях. Для покрытия его первостепенное значение приобретает использование шлаков черной металлургии, которые наряду с нейтрализующими основаниями содержат фосфор, серу, марганец, микроэлементы и могут рассматриваться как комплексное известковое удобрение. Как показали результаты исследований, внесение в почву шлака в количестве до 2,5 % благоприятно сказывается на росте и развитии сельскохозяйственных культур.

280