Влияние молотого доменного гранулированого шлака ПАО «Северсталь» на прочность бетона

Влияние молотого доменного гранулированого шлака ПАО «Северсталь» на прочность бетона

Д.В. КУЗНЕЦОВ, канд. техн. наук, завкафедрой функциональ­ных наносистем и высокотемпе­ратурных материалов, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация;
Н.Н. КАЛИНОВСКАЯ, канд. техн. наук, руководитель НТЦ ООО «ПолипластХим», доцент Белорусского Национального Технического Университета, г. Минск, Республика Беларусь;
Аль-Мусави КАДИМ САЛЕХ, аспирант БНТУ г. Минск, Республика Беларусь.

Ключевые слова: шлак, вяжущее для цементных систем, химический состав, прочность
Keywords: slag, binder for cement systems, chemical composition, strength

Одним из наиболее распространенных металлургических отходов является доменный гранулированный шлак после помола приобретающий гидравлические свойства. В статье приведены результаты исследования свойств доменного шлака ПАО «Северсталь» (г. Череповец, РФ), а именно химический состав предоставленных образцов шлака, а также результаты его испытаний в составе смешанного вяжущего для бетона.

One of the most common metallurgical waste is blast furnace granulated slag, which acquires ­hydraulic properties after grinding. This article deals with the results of the properties study of blast furnace slag produced by the Severstal Company (the Cherepovets city, Russia), namely, the chemical composition of the provided slag samples, as well as the results of its tests as a part of a mixed binder for concrete.

Введение

В процессе обогащения и выплавки металлов образуются сотни млн тонн технологических отходов (шлаки, шламы и другие). Так, в Российской Федерации, по некоторым оценкам, только сталеплавильных шлаков накоплено свыше 250 млн т. Они занимают площадь около 1,3 тыс. га. Кроме этого, в отвалы ежегодно сваливается около 5…7 млн тонн шлаков [1]. Подобные отходы представляют собой огромную экологическую проблему.

Массовое промышленное использование молотого гранулированного шлака совместно с цементом в качестве компонента вяжущего для бетона началось в первой половине ХХ века. И в настоящее время молотый доменный гранулированный шлак, наряду с золой уноса и микрокремнеземом является одним из ценнейших отходов для применения в области строительства.

Таблица 1. Химический состав доменных гранулированных шлаков

Компонент Содержание масс. % в гранулированном шлаке ПАО «Северсталь»Содержание масс. % в гранулированный шлак НЛМКСодержание масс. % в портландцементе марки М500
SiO2 37, 28 28,83 20-23
CaO 37, 41 52,13 60-75
MgO 12,3 7,612-4
Al2O3 10,29 5,98 4-7
Na2O 0,672 1,09
K2O 0,53 0,31
TiO2 0,46 2,61
MnO 0,43 0,27
S 0,31 0,36
Fe2O3 0,13 0,37 1-4
SrO 0,06 0,15
P2O5 0,02 <0,01
ZrO2 0,02 0,05
Co3O4 0,01 <0,01
V2O5 0,01 <0,01
Cr2O3 <0,01 <0,01
Nd2O3 <0,01 <0,01
WO3 <0,01 <0,01
Ta2O5 <0,01 <0,01
Nb2O5 <0,01 <0,01
Sc2O3 <0,01 <0,01
Y2O3 <0,01 <0,01
BaO <0,01 0,11
CuO <0,01 0,01
Cl <0,01 0,01

Молотый шлак в основном используется:

– в качестве вяжущего совместно с цементом для производства цементного бетона, в т.ч. в виде шлакопортландцемента;

– в качестве вяжущего (индивидуального и в составе комплекса с цементом, золой уноса, известью) для укрепления слоев дорожной одежды в дорожном и аэродромной строительстве;

– в качестве наполнителя для производства бетона на битумном вяжущем при строительстве дорожных одежд.

Однако в зависимости от исходного сырья при производстве металлов доменный шлак может иметь переменный химический и фазовый состав. Поэтому использование доменного шлака в строительстве должно предваряться тщательным исследованием его состава, которое дает возможность оценить не только гидравлические свойства шлака, но и устойчивость его структуры к распаду.

В данной статье приведены некоторые результаты исследования свойств доменного шлака ПАО «Северсталь» (г. Череповец, РФ), в частности химический состав предоставленных образцов, а также испытания шлака в составе смешанного вяжущего для бетона.

Химический состав шлака ПАО «Северсталь»

Исследования химического состава было проведено в НИТУ МИСиС с применением рентгенофлюоресцентного метода на рентгенофлюоресцентном спектрометре ARL 9900. Для исследования образцы шлаков были размолоты в ступке Fritsch в течении 10 мин для последующего прессования на подложке из борной кислоты. В процессе исследования установлено различие составов шлаков, в частности в шлаке, представленном Новолипецким металлургическим комбинатом (далее НЛМК), содержание оксида кальция значительно выше по сравнению с ПАО «Северсталь», что может быть объяснено применением различного сырья. Сравнительный анализ составов шлаков и типичного состава цемента марки М500 показан в табл.1.

Модуль основности шлака, определяемый по формуле (СаО + MgO)/(SiO2), составляет 1,3, т.е. шлак можно отнести к основным (модуль ≥1).

Результаты исследования фазового состава шлака ПАО «Северсталь» приведены в [2].

На основании проведенных исследований химического и фазового составов шлаков предприятий ПАО «Северсталь» и НЛМК сделан вывод об их высоких вяжущих свойствах.

Влияние шлака ПАО «Северсталь» на прочность цементного бетона

Доменный гранулированный шлак ПАО «Северсталь» представляет собой гранулы размером до 5 мм, которые после помола приобретают гидравлическую активность. В [2] приведены результаты определения оптимальной тонкости помола шлака с точки зрения прочности на сжатие и изгиб, а также расплыва стандартного конуса, косвенно характеризующего водоудерживающую способность вяжущего. Так по результатам [2] предпочтительной является тонкость помола Sуд = 3500…4000 см2/г. Для определения влияния шлака на прочность бетона шлак размалывался в лабораторной шаровой мельнице до тонкости помола Sуд=3840 см2/г. Площадь поверхности определялась на приборе ПСХ-11. Свойства шлака после помола приведены в табл. 2.

Таблица 2. Свойства шлака после помола

Материал

Удельная поверхность, Sуд, см2

Средний размер ­зерен, мкм

Плотность ­насыпная, кг/м3

Плотность ­истинная, кг/м3

Модуль

основности

Шлак «Северсталь», молотый

3840

6,13

960

2920

1,3

Результаты определения влияния молотого шлака на удобоукладываемость бетонной смеси и прочность бетона на сжатие приведены в табл. 3 и на рис.1. Производилась замена 25 и 50% цемента молотым шлаком. Использовались: порт­ландцемент CEM I 42.5 EN 197-1 производства ОАО «Белорусский цементный завод», песок крупный карьер «Минский»; щебень гранитный фр. 5-20 3 группа ПРУП «Гранит». В качестве суперпластификатора применялась поликарбоксилатная добавка «Линамикс ПК тип 1» производства ООО «Полипласт Северо-запад». Бетон твердел в нормально-влажностных условиях. Прочность определялась в соответствии с ГОСТ 10180 [3].

Рис.1. Прочность на сжатие бетона, содержащего в составе вяжущего молотый гранулированный доменный шлак.

Результаты испытаний позволяют сделать следующие выводы:

1. Молотый шлак с Sуд=3840 см2/г снижает водопотребность смешанного вяжущего. С увеличением дозировки данный эффект увеличивается.

2. Введение шлака замедляет набор прочности бетона. Однако уменьшение прочности компенсируется снижением водовяжущего отношения за счет низкой водопотребности вяжущего.

Так, на первые сутки твердения проч­ность бетона снизилась на 36% и 61% при содержании шлака 25% и 50% соответст­венно.

3. Прочность бетона со шлаком в возрасте 28 суток превышает прочность бетона контрольного состава на 8…11%.

4. Поликарбоксилатный суперпластификатор «Линамикс ПК» является эффективным разжижителем как для чистых клинкерных, так и для смешанных вяжущих.

Таблица 3. Характеристика составов бетона

Расход материалов (на сухие заполнители) в кг/м3 Вода, л Осадка конуса, см через, минут В/Вяж / плотность смеси
Цемент Шлак Песок Щебень Добавка «Линамикс ПК»
0 90
350 0 870 1020 0,5% от МЦ (1,75 кг/м3) 170 19 18 0,49 / 2430
263 87 888 1045 0,5% от МВяж (1,75 кг/м3) 151 22 21 0,43 / 2445
175 175 900 1060 0,5% от Вяж (1,75 кг/м3) 144 23 22 0,41 / 2450

Заключение

1. Приведены результаты исследования свойств доменного шлака ПАО «Северсталь» (г. Череповец, РФ), а именно химический состав предоставленных образцов шлака, а также его влияние на прочность бетона при замене части цемента (25% и 50%) на молотый шлак с тонкостью помола Sуд=3840 см2/г.

2. Результаты испытаний позволяют сделать выводы о том, что молотый шлак с Sуд=3840 см2/г снижает водопотребность смешанного вяжущего. Введение шлака замедляет набор прочности бетона. Однако уменьшение прочности компенсируется снижением водовяжущего отношения за счет низкой водопотребности вяжущего. Прочность бетона со шлаком в возрасте 28 суток превышает прочность бетона контрольного состава на 8…11%. Поликарбоксилатный суперпластификатор «Линамикс ПК» является эффективным разжижителем как для чистых клинкерных, так и для смешанных вяжущих.

3. Ранее полученные и приведенные в статье данные позволяют сделать вывод о целесообразности применения шлака производства ПАО «Северсталь» в цементных бетонах.

Библиографический список

1. Б.Б. Хайдаров Разработка энергоэффективной технологии переработки металлургических шлаков / Хайдаров Б.Б., Мазов И.Н., Кузнецов Д.В., Суворов Д.С. // Актуальные научно-технические и экологические проблемы сохранения среды обитания: научные статьи Международн. науч.-практ. конф., Брест 6-8 апр. 2016 г.: в 2-х частях / УО «Брестск. гос. техн. ун-т»; под ред. А.А. Волчека [и др.]. – Брест, 2016. – Ч.II. – 348 с.

2. Н.Н. Калиновская О возможности применения молотого доменного гранулированого шлака ПАО «Северсталь» в цементных системах / ­Калиновская Н.Н., Аль-Мусави Кадим Абдулвахид Салех, Кузнецов, Д.В. // Проблемы современного бетона и железобетона / Министерство архитектуры и строительства Республики ­Беларусь; под ред. Лешкевича О.Н. [и др.]. – Минск, 2021.

3. ГОСТ 10180-2012 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам