Справочник строителя | Минеральные добавки

Промышленные отходы - сырье для строительных материалов

В технологии бетона особый интерес вызывают те побочные продукты, которые являются химически активными материалами и участвуют в процессах формирования структуры.

По классификации Боженова П.И. техногенное сырье по агрегатному состоянию в момент его выделения из основного технологического процесса разделяется на три класса.

1. Продукты, не утратившие природных свойств (карьерные остатки при добыче горных пород; остатки после обогащения породы на полезное ископаемое).

2. Искусственные продукты, полученные в результате глубоких физико-химических процессов, образовавшиеся:

при обработке ниже Тспек;

при условии полного или частичного расплавления исходного сырья;

при осаждении из расплава при Т < 200 °С.

3. Продукты, образовавшиеся в результате длительного хранения отходов в отвалах (жидкие: растворы, эмульсии, грязи; твердые: щебень, пески, порошки).


Минеральным сырьем 1 класса являются попутные продукты промышленности нерудных строительных материалов и горно-обогатительных комбинатов (ГОК). «Хвосты» обогащения ГОКов, содержащие в основном кварц, полевые шпаты, карбонаты кальция и магния, могут использоваться в качестве заполнителей для производства бетонных и растворных смесей, если по размеру зерен удовлетворяют требованиям действующих стандартов.

Техногенным сырьем 2 класса являются металлургические шлаки, золы и шлаки, образовашиеся при сжигании твердого топлива на ТЭС, шламы глиноземной и химической промышленности, пыль газоочистки производства ферросилиция и другие. Эти продукты, во многом различаясь по химическому и минералогическому составу, могут использоваться и в качестве вяжущего материала и как минеральные добавки в бетонах и растворах.

Продукты 3 класса пока не находят широкого применения в производстве строительных материалов из-за разнообразия процессов, происходящих в отвалах. Наиболее подробно изучены горелые породы угледобывающей промышленности, которые могут применяться как неактивные минеральные компоненты бетонных и растворных смесей.

За критерий химической активности техногенного сырья можно принять коэффициент основности силикатов Косн Боженова П. И.:

Косн = [ CaO + 0,93MgO + 0,6R2O) – (0,55Al2O3 + 0,35Fe2O3 + 0,7SO3 + 1,27CO2 + 1,33P2O5) ] / [ 0,93(SiO2 + 0,62TiO2 – 0,83FeO) ]

Числитель приведенной формулы показывает, сколько процентов СаО остается для образования силикатов кальция, а знаменатель - сколько СаО необходимо для образования моносиликатов кальция. Если Косн = 1, образуется СS, при Косн =1,5, следует ожидать образования СS и С2S, при Косн = 2, образуется С2S.

По химической характеристике (АГ ) минеральные материалы разделяется на 5 групп:

от 1,6 до + ∞ — ультраосновные (обладают свойствами вяжущих);

от 1,2 до 1,6 — основные (гидравлически активные добавки);

от 0,8 до 1,2 — средние (сырье для материалов автоклавного твердения);

от 0,0 до 0,8 — кислые (сырье для керамических материалов, стекла, минеральной ваты);

от 0,0 до - ∞ — ультракислые (сырье для керамики, стекла и др.).

В табл. 1 приведены химический состав и коэффициент основности наиболее распространенных промышленных отходов, используемых в бетонах и растворах в качестве активных минеральных добавок.

Таблица 1. Химический состав активных минеральных добавок
Добавка
SiO2
Al2O3
Fe2O3
СаО
MgO
SO3
Na2O
MnO
P2O5
Cr2O3
П.п.п.
Косн
FeО
СаОсв
К2О
F

Шлак электротермический белый

19,5

4,0

-

60,0

10,5

-

-

1,5

-

-

3,5

3,0

1,0

-

-

-

Шлак мартеновский(Ижорский комбинат)

17,7

4,02

2,2

462

9,64

1,68

-

7,7

0,61

0,31

0,3

2,68

9,64

-

-

-

Шлак электротермический черный

9,5

3,0

7,0

37,5

9,0

-

-

8,0

-

1,2

4,3

2,25

20,5

-

-

-

Шлак электротермо-фосфорный

41,0

2,3

0,25

44,2

3,52

0,63

0,84

-

3,2

-

0,96

1,22

-

-

-

3,1

Шлак доменный (Липецкий комбинат)

38,64

8,81

0,19

41,93

7,24

0,14

-

1,06

-

-

1,3

1,2

0,69

-

-

-

Шлак никелевого производства «Южуралникель»

43,05

9,05

1,12

23,24

8,0

0,64

-

-

-

-

0,32

0,69

14,58

_

-

-

Зола-уноса (Сызрань -горючие сланцы)

38,1

10,6

7,6

27,6

2,5

7,5

2,1

-

-

-

1,8

0,53

-

-

2,2

-

Шлак ваграночный (Нижегородский комбинат)

47,27

9,4

12,7

17,0

0,67

0,59

-

3,8

-

-

0,47

0,33

8,1

-

-

-

Микрокремнезем (Стахановского завода)

95,58

0,9

0,51

0,8

0,1

0,44

0.33

-

-

-

1,15

0,003

-

-

0,35

-

Зола-уноса (Новочеркасск. ГРЭС - каменный уголь)

50,4

20,2

9,3

6,7

1,2

1,25

3,5

-

-

-

3,7

-0,07

-

До 2

3,7

-

 

Эффективным сырьем для производства активных минеральных тонкодисперсных добавок в бетоны и растворы являются зола-уноса ТЭС, обладающая удельной поверхностью порядка Sуд — 3000...3500 см2/г и микрокремнезем, имеющий Sуд = 20 000...22 000 см2/г. Эти отходы не требуют специальной подготовки при их введении в бетонную или растворную смесь. При этом, однако, следует учитывать, что при использовании зол и шлаков их свойства в значительной степени зависят от химического состава и свойств исходного сырья и могут колебаться в широких пределах.

К добавкам пуццоланического действия относятся ультрадисперсные отходы ферросплавного производства, содержащие более 90 % аморфного кремнезема и состоящие из тонкодисперсных сферических стекловидных частиц. Основной предпосылкой использования таких добавок в производстве вяжущих и бетонов является их способность в смеси с известью за первые 5...7 ч нормального твердения связывать до 7 % СаО в низкоосновные гидросиликаты кальция при соотношении между известью и добавкой 1:1 по массе.

Имеются данные, что 1 кг микросилики может заменить 3...4 кг цемента в бетоне при обеспечении той же прочности в 7 и 28-суточном возрасте. Важное отличие добавки состоит в том, что эффект пуццолановой реакции проявляется на ранних стадиях твердения более интенсивно, чем при использовании золы-уноса.

Использование в бетонах и растворах отходов ферросплавного производства и других подобных минеральных веществ является перспективным направлением в технологии бетона, так как, являясь вторичным цементирующим материалом, они в значительной мере способствуют повышению технической и экономической эффективности бетона.

В процессе выплавки чугуна в доменных печах образуется большое количество шлаков, которые целесообразно использовать в качестве добавок в бетонах и растворах. Для производства активных дисперсных добавок целесообразно отбирать расплавы доменных шлаков, образующихся при горячем или нормальном “ходе” (тепловом режиме) доменной печи. Для получения добавок наиболее подходят быстро охлажденные гранулированные расплавы, поэтому в качестве добавок лучше использовать остеклованные шлаки.

Некоторые шлаковые расплавы в результате силикатного распада превращаются в тонкодисперсный порошок «доменную муку», которая почти полностью состоит из гидравлически активного белита и может применяться как активная минеральная добавка без дополнительного помола, что экономически весьма целесообразно.

Большим резервом производства строительных материалов является вторичное сырье цветной металлургии. В алюминиевой промышленности основной техногенный продукт — шламовые отходы, количество которых в отвалах исчисляется десятками миллионов тонн. При переработке бокситов на глинозем образуется красный бокситовый шлам, характеризующийся рядом ценных свойств: высокой степенью дисперсности, постоянным химическим составом и водотвердым отношением, значительным содержанием полуторных оксидов.

Для определения оптимального количества минеральных добавок необходимо проводить экспериментальные исследования с целью установить зависимость изменения прочности бетона от количества добавки: Rb = ƒ (МД). Для этого изготавливаются образцы из смеси цемента и различного количества добавки, которые после 7-и и 28-суточного твердения при нормальных условиях или сразу после пропаривания испытываются на прочность.

Исследованиями установлено, что характер изменения прочности бетона с минеральными добавками связан со способностью добавок работать как микро наполнители. При малых дозировках добавки её частицы, равномерно распределяясь в тесте, играют роль включений, снижающих однородность и прочность цементного камня. При оптимальном содержании добавки в системе «цемент + минеральная добавка» прочность бетона повышается, достигая максимума. В этом случае частицы минеральной добавки играют роль элементов структуры цементного камня. Дальнейшее увеличение дисперсного материала приводит к разбавлению цемента добавкой и нарушению непосредственных контактов между частицами цемента, что ведет к снижению прочности.

Следует различать экономически оптимальное количество минеральной добавки, найденное из условия минимизации расхода цемента или стоимости бетона, и структурно-оптимальное, обусловленное физическим состоянием системы или структуры, связанное с перераспределением частиц в цементном тесте. Предпочтение следует отдавать структурно-оптимальному количеству добавки, потому что бетонам с такой организацией структуры соответствует максимальное значение прочности — отклик системы «Ц+МД» на оптимизацию дисперсионной среды (цементного теста) в бетоне.

Поделитесь ссылкой в социальных сетях