Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Твердение композиционных вяжущих с использованием техногенных продуктов. Учебное пособие
.pdf
- каменноугольные, образующиеся при сжигании каменного, кро-
Наименование показателя
Вид сжигаемого угля
Значение показателя в зависимости от вида золы
Ι
ΙΙ
ΙΙΙ
ΙV
1
2 3 4 5 6
1. Содержание оксида кальция (СаО), % по массе:
для кислой золы
для основной золы
в том числе:
свободного оксида кальция (СаОсв) не более:
для кислой золы
для основной золы
Любой
Бурый
Любой
Бурый
10
10
-
5
10
10
-
5
10
10
-
-
10
10
-
2
2. Содержание оксида магния
(MgO), % по массе, не более
Любой
5 5 -
5
3. Содержание сернистых и
сернокислых соединений в
пересчете на SO3, % по массе,
не более:
для кислой золы
для основной золы
Любой
Бурый
3
5
5
5
3
6
3
3
ме тощего, угля (КУ);
- буроугольные, образующиеся при сжигании бурого угля (Б).
2) по химическому составу на типы:
- кислые (К) — антрацитовые, каменноугольные и буроугольные,
содержащие оксид кальция до 10 %;
- основные (О) — буроугольные, содержащие оксид кальция бо-
лее 10 % по массе.
3) по качественным показателям на 4 вида:
I — для железобетонных конструкций и изделий из тяжелого и
легкого бетонов;
II — для бетонных конструкций и изделий из тяжелого и легкого
бетонов, строительных растворов;
III — для изделий и конструкций из ячеистого бетона;
IV — для бетонных и железобетонных изделий и конструкций,
работающих в особо тяжелых условиях (гидротехнические сооружения, дороги, аэродромы и др.).
Обозначение марки золы включает вид сжигаемого угля, тип и
вид золы, обозначение стандарта.
Качественные показатели зол различных видов должны соответствовать требованиям, указанным в табл.31.
Таблица 31
Характеристики золы
91
Продолжение таблицы 31
1
2 3 4 5 6
4. Содержание щелочных оксидов в пересчете на Na2O, %
по массе, не более:
для кислой золы
для основной золы
Любой
Бурый
3
1,5
3
1,5
3
3,5
3
1,5
5. Потеря массы при прокаливании (п.п.п.), % по массе, не
более:
для кислой золы
для основной золы
Антрацитовый
Каменный
Бурый
Бурый
20
10
3
3
25
15
5
5
10
7
5
3
10
5
2
3
6. Удельная поверхность, м2/кг,
не менее:
для кислой золы
для основной золы
Любой
Бурый
250
250
150
200
250
150
300
300
Допускается в основных золах содержание свободного оксида
кальция СаОсв и оксида магния MgO выше указанного в таблице, если
обеспечивается равномерность изменения объема образцов при испытании их в автоклаве или применение этих зол обосновано специальными исследованиями бетона по долговечности с учетом конкретных
условий эксплуатации.
Золы в смеси с портландцементом должны обеспечивать равномерность изменения объема при испытании образцов кипячением в
воде, а основные золы III вида — в автоклаве.
Влажность золы должна быть не более 1 % по массе.
Золы транспортируют в специализированных вагонахцементовозах, хопперах, судах, а также в автоцементовозах.
Золы хранят в силосах или других крытых емкостях.
При сжигании энергетических углей в топках ТЭС наряду с тонкодисперсной золой-уноса получается кусковой шлак. Соотношение
золы-уноса и шлака составляет 8:2 или 9:1. В зависимости от видов
угля, условий сжигания, методов улавливания зола и шлак различаются по зерновому и химическому составу. В золе-уносе ТЭС преобладает стекловидная фаза (40…65 %) в виде частиц шарообразной
формы размером до 100 мкм. Кроме того в ней содержатся дегидратированные глинистые вещества, кварц, а также различные оксиды и
топливные остатки. В кусковых шлаках содержится до 95 % стекла,
кварц и др. Топливные остатки в них не превышают 1 % .
92
Золы ТЭС делятся на основные, содержащие до 40 % СаО (в сво-
Основ-
ные
угольные
бассейны
Вид
угля
Содержание основных оксидов в
составе зол, мас.%
ППП
SiO2
Al2O3
FeO
+
F2O3
CaO
MgO
R2O
SO
3
Кузнецкий
К
4062
1828
4-15
4-8
0,5-3 1,56,0
0,22,7
0,116,1
Карагандинский
К
5360
2829
3,46,6
2,54,9
0,312
0,44,0
0,51,5
5,1-11
Подмосковный
Б
3555
2431
1727
1,26,7
0,42,3
0,32,2
0,42
0,5-4
КанскоАчинский
Б
2651
4
9-24
2134
3-6
0,82,2
0,53,5
2,3-3
бодном состоянии находится 5…20 % СаО), и кислые, содержащие до
40…45 % SiO2 как в связанном, так и в свободном состоянии.. Химический состав зол углей некоторых месторождений приведен в табл.32.
Таблица 32
Химический состав зол ТЭС угольных месторождений
Примечание: К – каменные угли; Б – бурые угли.
Золы ТЭС могут быть использованы, к примеру, в производстве
силикатного кирпича в качестве самостоятельного вяжущего (зола от
сжигания сланцев), как компонент известково-кремнеземистого вяжущего и в виде активного заполнителя. В зависимости от назначения
требования к золам различны. Золы, применяемые в качестве самостоятельного вяжущего, должны иметь повышенное содержание оксида
кальция, в золе-заполнителе его содержание ограничено.
В производстве силикатного кирпича золы и шлаки ТЭС используются как компонент вяжущего или заполнителя. В первом случае
расход золы достигает 500 кг на 1 тыс. шт. кирпича, во втором —
1,5…3,5 т. Оптимальное соотношение извести и золы в составе вяжущего зависит от активности золы, содержания в извести активного оксида кальция, крупности и гранулометрического состава песка и других технологических факторов и может колебаться в широком диапазоне. При введении угольной золы расход извести снижается на
10…50 %, а сланцевые золы с содержанием (СаО + MgO) до 40…50%
могут полностью заменить известь в силикатной массе. Зола в известково-зольном вяжущем является не только активной кремнеземистой
добавкой, но также способствует пластификации смеси и повышению
в 1,3…1,5 раза прочности сырца, что особенно важно для обеспечения
93
нормальной работы автоматов-укладчиков. Эффективность введения
золы повышается с ростом удельной поверхности известково-зольного
вяжущего. При этом в зольном компоненте силикатного кирпича
должно содержаться не более 3…5% несгоревшего топлива и не менее
10% оплавленых частиц. Целесообразно использовать золы и шлаки
антрацитовых углей, в которых содержание несгоревшего топлива составляет 15…20%. Основная масса несгоревшего топлива содержится
внутри частичек аморфизованного глинистого вещества, оплавленного
снаружи. Содержание остеклованных частиц в антрацитовых золах
составляет 60… 80% по массе.
Известково-кремнеземистое вяжущее в производстве силикатного
кирпича получают совместным помолом комовой негашеной извести с
золой и кварцевым песком. Суммарное содержание активных СаО и
MgO в вяжущем — 30…40%, удельная поверхность — 400…500 м2/кг,
остаток на сите № 02 — не более 2%. Прочность сырца и готового
кирпича можно повысить частичной заменой кварцевого песка золошлаковыми отходами, в результате чего улучшается гранулометрический состав смеси. При замене в силикатных смесях 20…30% кварцевого песка золой прочность сырца повышается на 30…40%, запаренных образцов— на 60…80%. Эффективна также частичная замена
кварцевого песка дробленым до крупности не более 5 мм топливным
шлаком.
При замене золой более 30% кварцевого песка возможно ухудшение формовочных свойств смеси в результате вовлечения воздуха в
дисперсную известково-зольную массу при формовании и расслаивании сырца. Для формования известково-зольных смесей револьверные
прессы, применяемые в производстве силикатного кирпича, заменяют
колено-рычажными, используемыми для прессования керамического
кирпича и огнеупоров из полусухой массы. Такие прессы создают
двухстороннее приложение усилий, что обеспечивает удлиненное время прессования.
Оптимальное содержание золы и шлака в силикатной смеси зависит от зернового состава и способа формования, возрастая с модулем
крупности и циклом прессования. На прессах двухстороннего действия
с увеличенным циклом и повышенным давлением при прессовании
можно формовать силикатные массы с содержанием золы до 50%, а
шлака — до 35%. Суммарное содержание активных СаО и MgO в силикатной массе должно составлять 6—8%, влажность — 6…10%. Высококальциевые и кислые золы, содержащие значительное количество
свободного оксида кальция, должны предварительно гаситься паром
под давлением. Золы, не содержащие свободный оксид кальция, в гашении не нуждаются, но при смешивании с известью должны подвергаться обычному силосованию.
94
Силикатный кирпич с добавками зол и топливных шлаков твердеет в автоклавах при давлении насыщенного пара 0,8…1,6 МПа. Рекомендуемая выдержка — 4…8 ч. Получаемый материал по водо- и морозостойкости превосходит обычный силикатный кирпич, имеет
меньшие значения водопоглощения и водопроницаемости, лучший
товарный вид.
Преимуществом кирпича из золосиликатной смеси оптимального
состава является более низкая, чем у обычного, средняя плотность
(1700…1800 кг/м3 против 1900…2000 кг/м3). Используя золы ТЭС,
можно получить пористый силикатный кирпич с такими свойствами:
плотностью 1250…1400 кг/м3; прочностью 10… 17,5 МПа, пористостью 27…28%, морозостойкостью 15…35 циклов. Применение его
позволяет уменьшить толщину наружных стен на 20, а массу—на 40%
и существенно сократить расход тепла на отопление зданий.
В золе горючих сланцев присутствует большое количество СаО
(до 50 %) и цементные минералы. Ее значительная часть находится в
пылевидном состоянии, однако содержащаяся в ней известь частично
пережжена или оплавлена, что требует более тонкого помола таких
зерен. Из сланцезольного автоклавного бетона можно производить
стеновые камни и перегородочные плиты из ячеистого бетона, панели
для жилищного строительства, блоки и так далее. В качестве вяжущего
применяется сланцевая зола, которая образуюется при пылевидном
сжигании сланца в котлах. Зола подвергается помолу в шаровых мельницах с добавками. Цемент и известь не применяются. Из-за высоких
температур сжигания сланца в топках котла, свободная известь в золе
находится в пережженном малоактивном состоянии. Чтобы ликвидировать вредное влияние пережженной извести гидротермальная обработка изделий из ячеистого бетона осуществляется в две стадии:
- предварительной пропаркой изделий при температуре 85-90 ºС в
течение 2,5-3 часов;
- автоклавной обработкой при избыточном давлении пара 0,8
МПа и температуре 175º С.
Формование изделий проводится по вибрационной технологии.
Получаемые сланцезольные ячеистые бетоны по своим качественным
характеристикам значительно превышают требования, предъявляемые
техническими условиями к ячеистым бетонам. Так, их прочность на
сжатие составляет 6,5…6,8 МПа, морозостойкость выше 35 циклов при
средней плотности 650…690 кг/м3, прочность на изгиб достигает
2,2…2,5 МПа. Из такого вяжущего можно получить бетон меньшей
плотности – 400…460 кг/м3 с прочность на сжатие 2,0…2,5 МПа.
Таким образом, было доказано, что сланцевая зола при соблюдении ряда технологических приемов является полноценным автоклав-
95
ным вяжущим, на основе которого можно получить бетоны с высокими строительно-техническими показателями.
Несмотря на неоднородность свойств и другие недостатки, золы
отличаются положительными свойствами и в конкретных условиях их
применения часто имеют большое преимущество перед другими компонентами вяжущего. В связи с этим они должны шире использоваться
в производстве строительных материалов и автоклавных в частности.
3.2. Характеристика металлургических шлаков
и их использование
Основная масса отходов металлургических процессов образуется
в виде шлаков. Шлаки — это продукты высокотемпературного взаимодействия компонентов исходных материалов (топлива, руды, плавней и газовой среды). Наибольшим является выход доменных шлаков,
на 1 т чугуна он составляет 0,6…0,7 т. При выплавке стали выход шлаков на 1 т значительно меньше: при мартеновском способе - 0,2…0,3 т,
бессемеровском и томасовском - 0,1…0,2; при выплавке стали в электропечах - 0,1…0,04 т.
Химический состав и структура шлаков изменяются в зависимости от состава пустой породы, вида выплавляемого металла, особенностей металлургического процесса, условий охлаждения и др. Ценнейшим сырьем для получения различных вяжущих веществ являются
различные шлаки.
В зависимости от происхождения шлаки разделяются на две
группы: металлургические и топливные. Шлаки отличаются химическим и минералогическим составом, кристаллической структурой, в
результате чего они отличаются по свойствам.
Металлургические шлаки делятся на шлаки черной и цветной металлургии. К первым относятся доменные, мартеновские и прочие сталелитейные шлаки. Ко второй группе относятся шлаки, получаемые
при выплавке цветных металлов. Их название сходно с названием выплавляемых металлов: медеплавильные, никелевые и др.
Химический состав шлаков изменяется в широких пределах в зависимости от химического состава руды и флюсов, вида получаемого
металла. Основными оксидами шлаков являются СаО, SiO2 , Al2О3,
Fe2О3 и МqO. В качестве примесных оксидов могут присутствовать в
большем или меньшем количестве оксиды марганца, титана, серы и
т.д. Химический состав доменных шлаков представлен в основном
четырьмя оксидами: СаО (29-30%), MgO (0-18%), А1203(5-23%) и Si02
(30…40%). В небольшом количестве в них содержатся оксиды железа
(0,2…0,6%) и марганца (0,3…1%), а также сера (0,5…3,1%) (табл.33).
96
Сталеплавильные шлаки характеризуются более высоким содержанием оксидов железа (до 20%) и марганца (до 10%).
При оценке шлаков как сырья для строительных материалов важной характеристикой их химического состава является соотношение в
них основных и кислотных оксидов. По химическому составу шлаки
делятся на основные, нейтральные и кислые. В основу классификации
положен модуль основности М
осн
.
% СаО + % МqО
М
= —————―――
осн
% SiO2 + % Al2О
К основным относятся шлаки, имеющие М
шлаков М
= 1, у кислых – М
осн
осн
< 1.
3
> 1, у нейтральных
осн
Гидравлическая активность шлаков выражается количественным
содержанием кремнезема и оксида алюминия и выражается модулем
активности М
акт
.
% Al2О3
М
= ———— .
акт
% SiO2
Гидравлическая активность шлаков возрастает с увеличением
обоих модулей. Оценка гидравлических свойств доменного гранулированного шлака[29] определяется при помощи коэффициента качества
(К), который определяется по формулам:
при содержании окисида магния до 10 %:
при содержании окиси магния более 10 %:
В зависимости от коэффициента качества и химического состава
доменные гранулированные шлаки подразделяются на три сорта:
1-ый сорт- К = 1,65; 2-ой сорт К = 1,45 и 3-ий сорт К=1,2. Для
каждого сорта предусмотрены определенные ограничения по содержанию оксидов алюминия, магния, титана и марганца.
Электротермофосфорные гранулированные шлаки по своему химическому составу должны удовлетворять следующим требованиям:
- содержание двуокиси кремния (SiO2), %, не менее ............. 38
- содержание суммы окисида кальция (СаО) и окисида
магния (Mg0), %, не менее .......................................................43
- содержание пятиокиси фосфора (P2O5), %, не более ........... 2,5.
97
Таблица 33
Комбинат
Содержание оксидов в шлаках, мас.%
SiO2
Al2O3
СаО
МgО
FeO
MnO
S
Новотульский
35,8
10,3
44,4
6,9
0,2
0,5
1,9
Новолипецкий
37,5
11,4
42,3
6,0
0,3
1,0
1,4
Нижнетагиль-
ский
36,6
16,3
37,5
2,0
0,6
0,8
0,7
Челябинский
39,9
15,3
35,5
6,8
0,3
1,5
0,7
Западносибир-
ский
38,8
15,2
30,4
14,3
0,4
0,3
0,6
Кузнецкий
37,0
13,8
37,6
9,3
0,6
0,7
0,5
Химический состав доменных шлаков
на отдельных металлургических предприятиях
В зависимости от содержания отдельных оксидов шлаки называются: - кремнеземистыми – более 40 % SiO2;
- глиноземистыми – более 15 % Al2О3;
- известковыми – более 40 % СаО;
- магнезиальными – более 10 % МqО;
- железистыми – более 5 % FeО;
- марганцовистыми – более 4 % МnО;
- сернистыми – более 3 % S; и т.д.
Важным показателем свойств шлаков является их минералогический состав. Н.А. Тороповым предложена классификация шлаков с
учетом их минералогического состава:
1 группа. Шлаки, содержащие свободные алюминаты кальция.
2 группа. Шлаки, содержащие магнезиальную шпинель.
3 группа. Шлаки, не содержащие алюминатов.
В основных шлаках преобладают ортосиликаты - 2СаО·SiO2, в
кислых метасиликаты - СаО·SiO2. Алюмосиликаты встречаются в виде
геленита - 2СаО·Al2О3·SiO2. По скорости охлаждения доменные шлаки
подразделяются на медленно охлажденные (шлаки охлаждаются в
естественных условиях) и быстро охлажденные (гранулированные).
Оксиды, входящие в шлаки, образуют разнообразные минералы.
В результате анализа диаграмм состояния соответствующих систем
оксидов установлена возможность существования в шлаках до сорока
98
двойных и тройных соединений, ведущее место среди которых занимают силикаты, алюмосиликаты, алюминаты и ферриты.
В медленно охлажденных кислых доменных шлаках основными
минералами являются анортит CaO·Al203·2Si02> диопсид
CaO·MgO·2Si02, в нейтральных и основных - геленит 2CaO·Al203·Si02,
окерманит 2CaO·MgO·2Si02, мервинит 3CaO·MgO·2Si02, двухкальциевый силикат 2CaO·Si02, твердые растворы окерманита и геленита —
мелилиты и др. Фазовый состав сталеплавильных шлаков более сложен, чем доменных. Такие компоненты шлаков, как оксиды железа и
марганца, сера и др. образуют твердые растворы с основными минералами, а при значительном содержании могут выделяться в виде самостоятельных фаз — железистых, сульфидных, марганцевых соединений. При медленном охлаждении шлаков наряду с образованием минералов могут происходить и их полиморфные превращения, что приводит к распаду и самопроизвольному превращению кусков шлака в
порошок. Известны силикатный, железистый и другие виды распада
шлаков.
Некоторые шлаки, особенно содержащие до 40-45 % СаО, при
медленном охлаждении рассыпаются в тонкий порошок. Силикатный
распад шлаков происходит при медленном охлаждении и сопровождается полиморфными превращениями 2СаО·SiO2. Полиморфные превращения идут по схеме:
2СаО·SiO2 → α-2СаО·SiO2 → β-2СаО·SiO2 → γ-2СаО·SiO2 .
Переход 2СаО·SiO2 из неустойчмвой β-формы в устойчивую γ-
модификацию сопровождается рассыпанием шлака и потерей его активности. Процесс протекает при температуре ниже 525 °С и сопровождается увеличением объема примерно на 10%. Рассыпание шлаков
возможно в результате гидратации свободных СаО и MgO (известковый и магнезиальный распады).
Практически во всех металлургических шлаках в том или ином
количестве наряду с продуктами кристаллизации содержится стекловидная фаза. В отвальных, медленно охлажденных основных шлаках,
количество стекла незначительно, а в гранулированных доменных достигает 98%. Стекло является термодинамически неустойчивой фазой,
оно в значительной мере определяет химическую активность шлаков.
Установлено, что шлаковые стекла взаимодействуют с водой значительно интенсивнее, чем кристаллы минералов.
В производстве автоклавных материалов доменные шлаки используются как активный компонент вяжущего в композиции с известью. Минералы шлаков в условиях автоклавной обработки гидратируют и образуют соответствующие гидратные фазы. Скорость гидратации всех фаз шлаков в условиях автоклавной обработки значительно
99
выше, чем при естественном твердении и увеличивается с ростом температуры пара в автоклаве.
Прочность вяжущего на их основе будет зависить от минералогического состава и условий твердения. Наибольшую прочность вяжущего после автоклавной обработки придает β-2СаО·SiO2, котовый при
гидратации переходит в С2SН2, который в дальнейшем переходит в
С2SН(А). Стекловидные фазы окерманита и геленита приводят к образованию соответственно гидросиликата кальция СSН(В) и гидрогеленита. При наличии извести в смеси при взаимодействии геленита с
СаО образуются гидрогранаты.
Технология ячеистого бетона с использованием гранулированного шлака аналогична технологии ячеистых бетонов с другими вяжущими, а по свойствам он не уступает ячеистым бетонам, изготовленным на основе извести и песка. С применением доменных шлаков в
производстве автоклавных ячеистых бетонов можно отказаться от цемента и значительно снизить расход извести.
В производстве плотного силикатного бетона и других автоклавных материалов гранулированные шлаки также наиболее целесообразно использовать как один из компонентов вяжущего, что позволяет
получать автоклавные бетоны марок 400…600. Исследования многих
авторов свидетельствуют о возможности получения качественных автоклавных материалов из доменных шлаков. Но так как шлаки и золы
непостоянны по химическому и минералогическому составу, то в каждом конкретном случае проводятся исследования на предмет их использования и установления допустимых расходов.
В настоящее время производство силикатного кирпича и автоклавных бетонов основывается на использовании различных видов
вяжущих. Если при производстве силикатного кирпича и плотного
силикатного бетона в качестве вяжущего материала применяется в
основном кальциевая известь, то при изготовлении ячеистых изделий
наряду с известью широко используется портландцемент, доменные
гранулированные шлаки, золы и др. В зависимости от вида применяемых компонентов автоклавные вяжущие разделяются на две группы:
а) бесклинкерные вяжущие на основе извести, алюмосиликатных
или кальциево - алюмосиликатных материалов природного и искусственного происхождения;
б) смешанные вяжущие на основе портландцемента или портландцемента и извести и кремнеземистых, алюмосиликатных или
кальциево - алюмосиликатных материалов природного и искусственного происхождения.
К извести, используемой в качестве компонента вяжущего автоклавного твердения, предъявляются более жесткие требования по срокам гидратации, активности и содержания пережженных частиц. Так,
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]