аспирант с 01.01.2018 по настоящее время
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
сотрудник с 01.01.2010 по настоящее время
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
сотрудник
Ханой, Вьетнам
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ОКСО 08.04.01 Строительство
ББК 303 Сырье. Материалы. Материаловедение
ТБК 5415 Строительные материалы и изделия. Производство стройматериалов
Доменные шлаки - отходы металлургической промышленности, которые при определенной подготовке можно использовать в технологии производства строительных растворов и бетонов. Целесообразное использование доменного шлака, как компонента для новых строительных материалов позволит улучшить экологическую обстановку и увеличит экономическую эффективность их производства. Авторами была рассмотрена технология переработки доменного шлака завода «Хоа Фат» (Вьетнам) и «Тхаи Нгуен» (Вьетнам) в тонкомолотую активную минеральную добавку. В результате проведённых исследований были получены химико-минералогический состав шлаков, рассмотрены и определены их физико-механические характеристики: удельная поверхность, плотность, водопотребность и другие. Рассмотрена возможность применения данных гранулированных доменных шлаков в качестве активной минеральной добавки для замещения части вяжущего, для этого рассчитан индекс активности шлака согласно нормативным документам Вьетнама и России. Выявлены зависимости влияния прочности цементно-песчаного раствора на комплексном вяжущем от его плотности, (где Вяжущее вещество = Портландцемент + Гранулированный доменный шлак). Построена диаграмма сравнения Индекса активности IR (%) гранулированного доменного шлака по прочности на сжатия. В работе использован Вьетнамский стандарт TCVN 11586:2016 для анализа возможности использования доменного шлака (Вьетнам) в технологии бетона и раствора строительстве.
гранулированный доменный шлак, цемент, отходы промышленности, комплексное вяжущее, активная минеральная добавка, индекс активности шлака
Введение. Промышленные отходы, в том числе топливные, являются очень серьезной причиной возникновения проблем экологического характера, вызывающих загрязнение почвы, воды и воздуха во всех провинциях Вьетнама [1]. При этом, уровень повторного использования техногенных отходов весьма ограничен и составляет всего 2…5 % от общего количества вырабатываемых промышленных отходов [2, 3]. Согласно [4], на вторичном сырье при соблюдении определенных условий можно получить бетоны с высокими эксплуатационными характеристиками.
В технологии современных бетонов Вьетнама многие отходы промышленности (золы, шлаки и т.д.) используются как добавки в бетонные смеси для уменьшения расхода вяжущего и решения экологических проблем [2].
Во Вьетнаме по данным [5] каждый год, производство шлака от металлургической промышленности составляет 45÷55 миллионов тонн в год. Доменный шлак (ДШ) после определенной переработки используют для изготовления черепицы, кирпича, в качестве наполнителя для бетонной смеси, и как активную минеральную добавку, в том числе и для вяжущих – цементов.
Каждый год, мировое производство цемента около 3 млрд. т/год [6], в то время, как во Вьетнаме эта цифра составляет 99 млн. т/год [7]. Изготовление цемента – процесс не только дорогостоящий, но и энергоемкий, что влечет к климатическим изменениям на территории Вьетнама - способствует возникновению парникового эффекта. При соблюдении всех нормативных требований к вяжущему веществу в технологии производства бетона часть цемента можно заменить подходящим по составу специально переработанным шлаком. Та как рассматриваемые нами шлаки по своему химико-минералогическому составу (соотношением SiO2, Al2O3 и CaO) имеют реакционную способность, то замена ими части клинкера, позволит снизить стоимость вяжущего, уменьшить потребление электроэнергии и выделяемого тепла при производстве композиционного вяжущего вещества.
По данным исследования [8, 9] использование промышленных отходов в производстве бетонов может решить следующие актуальные вопросы:
- Уменьшить стоимость готовой строительной продукции из вторичного сырья на композиционном вяжущем.
- Расширить материально-сырьевую базу для производства строительных материалов.
- Уменьшить потребность в первичных сырьевых ресурсах.
- Снизить капитальные затраты на организацию хранения отходов.
- Создать высокотехнологичные производства и обеспечить местное население новыми рабочими местами.
- Утилизировать существующие свалки промышленных отходов.
- Улучшить экологическую обстановку в промышленных зонах, где складируются отходы.
- Улучшить условия жизни населения и животных.
На данный момент во Вьетнаме доменные шлаки применяют как добавку для бетонов и строительных растворов, однако исследований по доменным шлакам «Хоа Фат» и «Тхаи Нгуен» немного [1, 10].
По данным исследования [11] доменным шлаком можно заменить 5…30 % от части цемента. В данной работе авторами предложено возможность использования доменных шлаков в качестве активной минеральной добавки в количестве 10… 30 % от массы портландцемент.
Материалы:
- портландцемент (Ц) ЦЕМ I 42,5 Н производства завода «Там Диеп» (Вьетнам), истинной плотностью 3,14 г/см3 химико-минералогический состав приведен в табл. 1, соответствовал требованиям ГОСТ 30515-2013 и TCVN 2682:2009;
- кварцевый песок (П) реки Ло (Вьетнам) с модулем крупности MK = 3,0 истинной плотностью 2,66 г/см3 и средней насыпной плотностью (в уплотненном состоянии) 1650 кг/м3. Песок I класса в соответствии с ГОСТ 8736-2014 и TCVN 7570:2006;
- Гранулированный доменный шлак (ГДШ) «Хоа Фат» и ГДШ «Тхаи Нгуен» представлены в табл. 2 и 3, соответствуют требованиям ГОСТ 3476-74;
- вода (В) затворения соответствующая требованиям ГОСТ 23732-2011 и TCVN 4506:2012.
Методология. Возможность использования шлака оценивалась по требованиям стандарта TCVN 11586:2016 «Доменный шлак мелкий для бетона и раствора»;
- индекс активности шлака в растворных смесях определяли в соответствии с требованиями стандарта TCVN 11586:2016;
- прочность бетонов на сжатие определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-2012 и TCVN 10303:2014;
- определение влажности доменного шлака проводили по ГОСТ 13586.5-2015 и TCVN 7572-7:2006;
Основная часть. Исследовались свойства доменного шлака (ДШ) полученного при выплавке чугуна, так как в исходной железной руде содержатся глинистые примеси, а в коксе – зола. В рамках проведенного исследования, для удаления примесей из исходного сырья, в доменную шихту вводили флюсы - карбонаты кальция и магния.
Рис. 1. Технологическая схема получения ГДШИспользованный в работе ДШ был получен с завода, технологическая схема производства приведена на рис. 1. ДШ сушился в лабораторной печи при Т = 100±10 oС в течении 4 ч., после в вибрационной мельнице (Модель SM500x500, Китай) в течение 2 ч. материал мололи для получения гранулированного доменного шлака (ГДШ) в виде тонкого порошка (рис. 1 и табл.2).
Химическо-минералогический состав и физико-механические характеристики портландцемента и полученного ГДШ приведены в табл. 1 и 2.
Согласно TCVN 11586:2016 «Требования технические гранулированного доменного шлаков для бетона и раствора», приведены в табл. 3.
Из приведённых в табл. 1–3 экспериментальных результатов следует, что по химическому составу и физико-механическим свойствам ГДШ «Хоа Фат» и ГДШ «Тхаи Нгуен» удовлетворяют требованиям стандарта TCVN 11586:2016 и ТУ 0799-001-99126491-2013.
Индекс активности гранулированного доменного шлака (IR, %) представляет собой отношение прочности на сжатие образца из цементно-песчаного раствора, где часть вяжущего, цемента, заменена ГДШ (R2), к прочности на сжатие контрольного, без добавочного цементно-песчаного раствора (R1). Индекс активности доменного шлака рассчитывали по формуле (1), приведённой в стандарте TCVN 11586:2016.
, (1)
где 
– индекс активности доменного шлака, %; 
– прочность на сжатие контрольных образцов выполненных на бесдобавочном цементно-песчаном составе в возрасте 28 суток, МПа; 
– прочность на сжатие образцов из цементно-песчаных растворов, где часть вяжущего заменена на ГДШ, в возрасте 28 суток, МПа.
Экспериментальные образцы изготавливали на цементно-шлаково-песчаных растворах при соотношениях Вяж : П = 1:3 (где Вяж – вяжущее вещество, Вяж =(Ц + ГДШ) (процентное соотношение цемента к доменному шлаку в вяжущем приведены в таб. 4). Контрольный состав – цементно-песчаный раствор, без каких-либо добавок и примесей. В соответствии с требованиями стандарта ГОСТ 30744-2001 и TCVN 2682:2009 и исследований [1, 9, 11] принимали ГДШ/Ц = 1/10 ÷ 3/10. На каждом составе формовали по 3 балочки 40×40×160 мм, которые после твердения в нормальных условиях, испытывали на прочность на сжатие (рис. 2 и 3).
Результаты проведенных прочностных испытаний сведены в таб. 5, где отражено как количество вводимых доменных шлаков влияет на прочность двух типов, плотность смеси и индекс активности полученного состава бетона.
Полученные результаты испытаний использовали для расчёта индексов активности IR, % (табл. 5 и рис. 4 и 5).
Из рис. 4 и 5 видно, что:
- При замене части цемента 1/10 ГДШ «Хоа Фат» можно получить вяжущее с IR соответствующем С60, С75, С95, а на ГДШ «Тхаи Нгуен» - С60, С75.
- Если соотношение ГДШ увеличить 2/10 ÷ 3/10 Вяж, можно получить ГДШ = 2/10 и 3/10 IR соответствующем С60, С75 на шлаке обоих образцов.
- Индекс активности по прочности на сжатие ГДШ «Хоа Фат» всегда выше ГДШ «Тхаи Нгуен». Это можно объяснить тем, что в ГДШ «Хоа Фат» содержится больше аморфного кремнезёма, 36,12%, который способен связать свободный гидроксид кальция (CH) в меньше растворимые низкоосновные гидросиликаты кальция (CSH). Данный процесс повышает водоудерживающую способность бетонной смеси и ведет к уплотнению структуры тела бетона, что, в свою очередь, влияет на увеличение прочности на сжатие.
Выводы. По мимо вышеизложенного, можно сказать, что: рассмотренные доменные шлаки могут применяться в производстве строительных материалов в качестве тонкомолотых активных минеральных добавок, заменяющих часть цемента (до 30 %), в технологии бетонов и строительных растворов.
Кроме того, ГДШ можно заменить ввозимые в страну активных минеральных добавки, используемые в настоящее время во Вьетнаме для получения строительных растворов и бетонов, что позволит снизить их стоимость и способствовать улучшению экологической ситуации.
1. Nguyen Thanh Sang, Le Thi Trang. Designing cement concrete composition using high-strength blast furnace slag in bridge construction // Journal Bridges and Roads of Vietnam. №1+2. 2012. Pp. 62-65.
2. Pham Chi Cuong. Utilization of metallurgical industry wastes in Vietnam // Vietnam Science Journal. №6 (10). 2012. Pp. 52-54.
3. Government Office. Conclusions of the Prime Minister on the implementation of the production program for the disposal of unburned materials and the use of ash, slag and gypsum - waste of thermal power plants and chemical plants. Announcement № 218/TB-VPCP, Ha Noi, 17/06/2013, 3 p.
4. Баженова С.И.. Алимов Л.А. Высококачественные бетоны с использованием отходов промышленности // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2010. №01. C. 226-230.
5. Lam Tang Van, Tho Vu Dinh, Dien Vu Kim, Boris Bulgakov, Olga Aleksandrova and Sophia Bazhenova. Combined Effects of Bottom Ash and Expanded Polystyrene on Light-weight Concrete Properties // MATEC Web of Conferences. 2018. 251. 01007. https://doi.org/10.1051/matecconf/201825101007.
6. Yu Lei, Qiang Zhang, Chris Nielsen, Kebin He. An inventory of primary air pollutants and CO2 emissions from cement production in China, 1990-2020 // Atmospheric Environment. 2011. Vol. 45. Pp. 147-154. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2010.09.034.
7. Chau An. Dự báo sản lượng tiêu thụ xi măng năm 2019 “Прогноз потребления цемента в 2019 году” [Электронный ресурс]. https://cafeland.vn/tin-tuc/nam-2019-san-luong-tieu-thu-xi-mang-se-dat-95-trieu-tan-77913.html. (дата: 16.01.2019).
8. Танг Ван Лам, Нго Суан Хунг, Булгаков Б. И., Александрова О.В., Ларсен О.А., Орехова А.Ю., Тюрина А.А. Использование золошлаковых отходов в качестве дополнительного цементирующего материала // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2018. №8. C. 19-27. DOIhttps://doi.org/10.12737/article_5b6d58455b5832.12667511.
9. Танг Ван Лам, Булгаков Б.И., Александрова О.В., Ларсен О.А. Возможность использования зольных остатков для производства материалов строительного назначения во Вьетнаме // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. №6. C. 06-12. DOIhttps://doi.org/10.12737/article_5926a059214ca0.89600468.
10. Ngo Van Toan. Research on the production of high-strength concrete using fine sand and mineral additives mixed with activated blast-furnace slag and rice husk ash // Magazine Building Materials - Environment. 2012. №4. Pp. 36-45.
11. Isa Yu¨ksel, Turhan Bilir, O¨mer O¨zkan. Durability of concrete incorporating non-ground blast furnace slag and bottom ash as fine aggregate // Building and environment, 2007(42) 2651-2659. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.buildenv.2006.07.003.
12. Nour T.A., Hamdy A.E., Amel A.E. Utilization of by-pass cement kiln dust and air-cooled blast-furnace steel slag in the production of some ‘‘green” cement products // HBRC Journal, 2018 (14), pp 408-414. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.hbrcj.2017.11.001.
