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 Т_спек;

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.:

К_осн = [ 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 К_осн = 1, образуется СS, при К_осн =1,5, следует ожидать образования СS и С₂S, при К_осн = 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

Эффективным сырьем для производства активных минеральных тонкодисперсных добавок в бетоны и растворы являются зола-уноса ТЭС, обладающая удельной поверхностью порядка S_уд — 3000...3500 см²/г и микрокремнезем, имеющий S_уд = 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: R_b = 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.

обсудить на форуме

объявления: стройка и ремонт

Поделитесь ссылкой в социальных сетях