Утилизация отвального доменного шлака как компонента шлакощелочных вяжущих

Использование промышленных отходов, а именно отвальных доменных шлаков в строительной индустрии является не только перспективным направлением снижения себестоимости продукции, но и одним из направлений уменьшения нагрузки на окружающую природную среду. В работе обоснована утилизация отвальных доменных шлаков в качестве шлакощелочных вяжущих (ШЩВ), используемых строительным комплексом.

Цель работы – обоснование сырьевой ценности отвальных доменных шлаков ряда металлургических предприятий Украины для производства ШЩВ.
Задачи работы: определение элементного, оксидного и минералогического состава ШЩВ; ограничение круга отвальных доменных шлаков наиболее пригодных для производства ШЩВ. Изучены отвальные доменные шлаки ОАО «Днепровский металлургический комбинат им. Ф. Э. Дзержинского» (ДМК); ОАО «Запорожсталь»; ПАО «Мариупольский металлургический комбинат имени Ильича» (ММК); ПАО «Алчевский металлургический комбинат» (АМК); ОАО «АрселорМиттал Кривой Рог» («АрселорМиттал»). В последнем случае, кроме отвального доменного шлака, исследован гранулированный доменный шлак. Составы шлаков определены ранее [1, 2]. Показано, что отвальные шлаки содержат достаточное количество аморфизированных веществ [3, 4], чтобы рассматриваться в качестве сырьевых компонентов производства ШЩВ.
Экспериментальные методы исследования. В работе использованы физико-химические методы исследования: рентгенофазовый анализ и электронно-зондовый микроанализ. Минералогический состав ШЩВ определен с помощь рентгенофазового анализа. Химический элементный и оксидный составы ШЩВ определены методом электронно-зондового микроанализа (ЕРМА) на сканирующем электронном микроскопе JSM-6390 LV с системой микрорентгеновского анализа INCA.
Используемые отвальные доменные шлаки измельчали на шаровой мельнице до удельной поверхности Sуд.=2700-4950 см2/г. Для затворения использовали воду и 20 % раствор NaOH. Плотность растворов щелочных компонентов соответствует оптимальному интервалу ρ=1,15-1,20 г/см3 [5]. Из вяжущего теста формовали кубики 222 см и уплотняли на лабораторном вибростоле с частотой 3000 кол./мин. Прочность образцов ШЩВ определяли на прессе марки Р-5 с тремя шкалами чувствительности, кН: 0-10; 0-25; 0-50. Скорость прессования 3 мм/мин.
Минералогический состав ШЩВ. Рентгенофазовым анализом в составе новообразований, возникающих при взаимодействии минералов отвальных доменных шлаков с водой и щелочным раствором и определяющих свойства отвердевшего цементного камня, выявлены натрийсодержащие фазы, минералы – продукты гидратационного твердения, карбонатные фазы и алюмосиликаты Са и Mg, многие из которых ранее не были зарегистрированы при твердении ШЩВ. Согласно [5] твердение шлакоцементных комбинаций приводит к образованию низкоосновных гидросиликатов кальция группы CSH, низкоосновных кальциевых силикатов тоберморитовой группы, гидрогранатов, гидроалюмосиликатов натрия и карбонатов Са и Mg (при использовании соды и натриевого жидкого стекла). Подобные образования не зарегистрированы в полученных образцах ШВ за исключением донпикорита, микроклина, деллаита как конечного продукта гидратации тоберморита и карбонатых фаз. Карбонаты, представленные кальцитом, доломитом, пирсонитом и Ca4Al2(OH)12(CO3)(H2O)5, скорее всего, являются продуктами перерождения части гидросиликатных новообразований под действием углекислого газа, что приводит к уплотнению и повышению прочности отвердевшего материала.
Соотношение между продуктами твердения, характерными для ШЩВ (натрийсодержащие фазы, продукты гидратационного твердения, карбонаты, донпикорит и микроклин), и безводными алюмосиликатами Са и Mg, характерными для портландцементного клинкера свидетельствует о сложном контактно-конденсационно-гидратационном механизме твердения ШЩВ. Образование безводных алюмосиликатов Са и Mg является результатом контактно-конденсационного взаимодействия диспергированных частиц шлаков при достаточной степени их аморфизации. При гидратационном твердении щелочной агент выполняет две роли: реагирование с минералами шлаков и их активация. Наименьшую активность в процессах затворения проявил шлак ДМК. Продукты твердения в основном состоят из алюмосиликатов Са и Mg. Присутствие минералов гидратационного твердения (гидроандрадит, фошапит, киллалаит, донпикорит, везувианит, деллаит, жисмондин, фторапофиллит, Ca4Al2(OH)12(CO3)(H2O)5) и отсутствие натрийсодержащих минералов свидетельствует только об активации исходных соединений шлаков щелочью, что характерно для отвальных доменных шлаков «Запорожсталь» и «АрселорМиттал». В последнем случае массовая доля продуктов гидратационного твердения и карбонатов наибольшая из всех шлаков – 36,6 %. Реагирование со щелочью приводит к образованию натрийсодержащих минералов: девитрита, пирсонита, мусковита, пектолита. Некоторые из перечисленных соединений образовались при использовании шлаков ММК и гранулированного «АрселорМиттал». Шлак АМК активируется щелочью и взаимодействует с ней. Наибольший выход продуктов твердения ШЩВ наблюдался на 28 сутки – 37,5 %. Для данного ШЩВ зарегистрированы длительные превращения гидроалюмосиликатов Са, Na и К в безводные, уменьшение массовых долей киллалаита, мусковита и пектолита.
Активность ШЩВ. Испытания шлакового цемента (ШЦ) на прочность при сжатии (Rcж.) проводились в сроки твердения, сут.: 7, 28 и 90. Использованы агенты затворения шлака: вода, 20 % раствор NaOH. Ранее [5] зарегистрированы спады прочности ШЩ и других шлаковых бетонов в воздушно-сухих условиях в длительные сроки твердения. Это может быть следствием большой длительности процесса стабилизации структуры от аморфной до стабильной кристаллической или следствием исчерпания аморфного резерва шлаков.
ШЩВ с щелочным агентом NaOH. Сравнение Rcж. ШЩЦ, приготовленных на щелочи и различных шлаках, показывает преимущество гранулированного шлака «АрселорМиттал». В данном случае проявляется высокая активность ШЩЦ в конечный  (18,25 МПа) и особенно в начальный период твердения по сравнению с другими ШЩЦ. Для ШЩЦ, приготовленных на отвальных доменных шлаках, характерно более длительное нарастание прочности. В срок твердения 90 сут. более чем в два раза возросла величина Rcж. для всех ЩШЦ по сравнению с начальным периодом. Это согласуется с результатами [5], полученными для ШЩ бетонов естественного твердения, интенсивно набирающих прочность в поздние сроки твердения. Наиболее высокие прочностные характеристики показали ШЩЦ на отвальных шлаках «АрселорМиттал» (11,72 МПа) и ДМК (10,8 МПа). Не прослеживается прямой корреляции между количеством продуктов твердения, присущих ШЩВ, и прочностью образцов ШЩЦ. Для всех ШЩВ высоки массовые доли алюмосиликатов Са и Мg, более характерных для продуктов твердения портландцементного клинкера. Так для ЩШЦ на основе гранулированного шлака «АрселорМиттал» доля подобных продуктов твердения составляет 14,7 %, остальные 85,3 % – водостойкие алюмосиликаты Са и Mg. Аналогично для ШЩЦ на основе отвальных шлаков «АрселорМиттал» и ДМК, соответственно: 63,4 % и 92,5 %. Таким образом, активность полученных ШЩЦ обусловлена в основном активацией щелочью, а не протеканием реакций со щелочным агентом.
Выводы
Доказана целесообразность использования отвальных доменных шлаков для получения ШЩВ, что значительно расширяет сырьевую базу производства ШЩВ и их номенклатуру.
Показано, что по минералогическому составу ШЩВ на основе отвальных доменных шлаков занимают промежуточное место между портландцементами и ШЩВ на основе гранулированных доменных шлаков, основными минералами являются натрийсодержащие фазы, продукты гидратационного твердения, карбонаты и безводные алюмосиликаты Са и Mg.
Прогнозируется ряд свойств ШЩВ: длительность нарастания прочности во времени; уплотнение и упрочнение структуры в результате образования карбонатных фаз; жаростойкость как следствие фазового превращения гидратированных соединений в безводные.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Уханёва М. И. Минералогия отвального доменного шлака и возможности его использования в строительстве / М. И. Уханёва, Э. Б. Хоботова, В. Н. Баумер // Проблеми охорони навкол. природного середовища та екол. безпеки: зб. наук. пр. / УкрНДІЕП. – Х. : «Райдер», 2010. – Вип. ХХХІІ. – С. 217-233.
2. Хоботова Э. Б. Отвальный доменный шлак как сырьевой компонент вяжущих веществ / Э. Б. Хоботова, Ю. С. Калмыкова// Экология и прм-сть. – 2011. – № 1. – С. 35-40.
3. Хоботова Э. Б. Аморфная составляющая отвального доменного шлака ОАО «Запорожсталь» / Э. Б. Хоботова, М. И. Уханева, Ю. С. Калмыкова // Сб. науч. тр. XIX междунар. науч.-техн. конф. «Экологич. и техногенная безопасность. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов». – Х.: УкрВОДГЕО, 2011. – С. 452-457.
4. Исследование радиоактивных свойств доменного шлака / Э. Б. Хоботова, М. И. Уханёва, В. Н. Баумер, Ю. С. Калмыкова // Наук. пр. ДонНТУ. Сер. Хімія і хім. технологія. – Донецьк, 2009. – Вип. 13. – С. 118-127.
5. Шлакощелочные вяжущие и мелкозернистые бетоны на их основе / под общ. ред. В. Д. Глуховского. – Ташкент: Узбекистан, 1980. – 482 с.

Утилизация отвального доменного шлака как компонента шлакощелочных вяжущих [Електронний ресурс]  / [Хоботова Э.Б., Калмыкова Ю.С.] // Режим доступу: http://eco.com.ua/content/utylyzacyya-otvalnogo-domennogo-shlaka-kak-komponenta-shlakoshchelochnyh-vyazhushchyh

Оцінка: 
0
No votes yet