Состав и свойства композиционного цемента с добавкой золошлаковой смеси ТЭС

УДК 662.61

СОСТАВ И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО ЦЕМЕНТА С ДОБАВКОЙ ЗОЛОШЛАКОВОЙ СМЕСИ ТЭС

А.Ф. Капустин, И. С. Семериков

CONTENT AND PROPERTIES OF COMPOSITE CEMENT WITH ADMIXTURE OF ASH SLAG MIXTURE OF A THERMAL POWER PLANT

A.F. Kapustin, I.S. Semerikov

Представлены результаты исследования влияния добавки золошлаковой смеси ТЭС на состав и физико-механические свойства композиционного цемента. Подобран его оптимальный состав на основе клинкера ЗАО «Невьянский цементник».

Ключевые слова: композиционный цемент, минеральная добавка, золошлаковая смесь, свойства.

The author gives the results of the research of influence of the ash slag mixture of a thermal power plant on content and physical and mechanical properties of the composite cement. Its tailored composition was designed on the basis of clinker produced at “Nevyansky Cementnik”, Closed Joint Stock Company.

Keywords: composite cement, mineral admixture, ash slag admixture, properties.

При сжигании угля и горючих сланцев на ТЭС России ежегодно образуется около 45 млн т золошлаковых отходов, которые в основном складируются в золоотвалах. В наибольших объемах в нашей стране скопились и продолжают увеличиваться в отвалах золошлаковые отходы энергетической отрасли. Только на металлургических комбинатах Урала и Сибири скопилось в отвалах 450 млн т металлургических шлаков, а в отвалах ТЭС страны накоплено более 1,5 млрдт золошлаков, загрязняющих окружающую среду. Одним из перспективных направлений их утилизации является производство цементов, где, как правило, используют золу-унос в качестве минеральной добавки, а золошлаковую смесь (ЗШС) - алюмосиликатного компонента сырьевой смеси портландцементного клинкера. ГОСТ 31108-2003 допускает использование золы в составе различных типов цемента как в качестве основной минеральной добавки в количестве от 6 до 35 %, так и вспомогательного компонента - до 5% [1]. Ранее нами была показана возможность применения ЗШС Верхнетагильской ГРЭС в составе портландцемента с минеральньной добавкой и использования его при производстве бетонных и железобетонных изделий [2].

Цель данной работы - разработать состав композиционного цемента с использованием в качестве минеральной добавки смесь доменного гранулированного шлака (ДГШ) и отвальной ЗШС ТЭС с физико-механическими свойствами, удовлетворяющими требованиям ГОСТ 31108-2003,

для организации производства на ЗАО «Невьянский цементник».

Композиционный цемент - гидравлический вяжущий материал, получаемый совместным помолом портландцементного клинкера, гипсового камня и композиционной добавки, состоящей из двух и более минеральных компонентов. Производство композиционных цементов преследует цели снижения энергозатрат на приготовление вяжущих веществ и утилизацию отходов. Затраты на производство таких цементов и их стоимость ниже стоимости рядового портландцемента. Цемент типа ЦЕМ У/А в качестве композиционной добавки может содержать смесь ДГШ (11-30 %) и золы-унос или пуццолана (11-30 %). ГОСТ 31108— 2003 не допускает использование ЗШС ТЭС в составе композиционного цемента. Однако существующие отечественные цементные заводы не оборудованы узлами приема, дозирования и транспортирования сухой золы, но могут складировать, сушить, дозировать и размалывать отвальную ЗШС с клинкером по существующей технологии помола цемента с добавкой ДГШ.

В исследованиях использовали портландце-ментный клинкер (КН = 0,92, п = 2,07, р- 1,25) ЗАО «Невьянский цементник», содержащий: 60,8 % С38; 14,7 % С,8; 7,4 % С3А; 13,9 % С4АР;

0,29 % СаОсвоб. Для регулирования сроков схватывания цементов применяли гипсоангидритовый камень Ергачинского месторождения, а в качестве минеральной добавки - ЗШС Верхнетагильской ГРЭС

Капустин А.Ф., Семериков И.С.

Состав и свойства композиционного цемента с добавкой золошлаковой смеси ТЭС

и ДГШ ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» (по ТУ 14-102-184-99) (табл. 1 и 2). По содержанию СаО ЗШС является кислой, содержит частицы топливного шлака в количестве до 30 %, по химическому составу и потере массы при прокаливании удовлетворяет требованиям ГОСТ 31108-2003 к минеральным добавкам для цементов общестроительного назначения. Кроме стекловидной фазы, по данным рентгенофазового анализа, она содержит кварц, магнетит, муллит и кристобалит (см. рисунок).

Цементы готовили в лабораторной шаровой мельнице совместным помолом клинкера, минеральных добавок и гипсового камня, который вводили в количестве 4 % от массы вяжущего (содержание в цементе БОз 2,36—2,52 %) до тонкости помола 5,6—5,9 %. Составы композиционных це-

ментов представлены в табл. 3. Удельную поверхность цементов, тонкость помола, нормальную густоту и сроки схватывания цементного теста, равномерность изменения объема цементного камня определяли по ГОСТ 310-76, прочность при сжатии -на образцах-кубах с размером ребра 20 мм, приготовленных из цементного теста.

Установлено, что с увеличением количества ДГШ от 10,5 до 30 % (состав № 7) продолжительность помола композиционного цемента возрастает на 7 % и, наоборот, при аналогичном содержании ЗШС (состав № 8) время помола цемента уменьшается на 13 %. Удельная поверхность полученных композиционных цементов практически не меняется с изменением количества ДГШ и ЗШС в его составе.

Увеличение в цементе количества компози-

Таблица 1

Химический состав исходных материалов

Материал Л/н]фк, мае. % Содержание оксидов, мае. %

вЮг А12Оз Ре203 СаО МйО БОз к2о №,0

ДГШ НТМК* 0,60 37,50 13,88 1,52 32,75 7,98 0,88 — -

ЗШС ВТГРЭС 6,10 48,80 26,70 5,83 4,80 3,92 0,32 0,98 1,06

* Содержит 4,33 % ТЮ2; 0,56 % МпО.

Таблица 2

Гранулометрический состав исходных материалов

№ п/п Фракции Золошлаковая смесь Доменный гранулированный шлак

Количество, % Сумм. содержание, % Мате- риал Количество, % Сумм. содержание, % Мате- риал

1 >5 мм 2,46 32,17 Шлак 1,9 100,00 Шлак

2 2,5-5 мм 2,22 6,3

3 1,25-2,5 мм 2,18 22,1

4 0,63-1,25 мм 5,16 33,7

5 0,315-0,63 мм 4,97 23,5

6 0,16-0,315 мм 15,18 8,4

7 <0,16 мм 67,83 67,83 Зола 6,0

2,53

*

! К"1!

ьу.ш

>.095 * ->)(

2,29 ,46

2 97 V

3.35

3,39

3,43

Рентгенограмма ЗШС ВТГРЭС:

• - кварц; о - муллит; Л - кристобалит; * - магнетит

Серия «Строительство и архитектура», выпуск 12

39

Строительные материалы, изделия и конструкции

Таблица 3

Состав и физико-механические свойства цементов

Номер состава Содержание компонентов в цементе, % V м“/кг нг, % Сроки схватывания, ч-мин Предел прочности при сжатии (1:0), МПа, при твердении, через, сут

нормальное пропаривание

клинкер ЗШС ДГШ начало конец 3 28 1 28

1 80 - 20 274 26,1 3-30 5-40 32,8 66,8 35,9 58,9

2 79 10,5 10.5 325 25,4 3-10 5-20 31.5 59,2 37,0 57.5

3 75 12,5 12,5 321 25,5 2-30 5-10 32,3 52,5 38,4 52,2

4 70 15 15 333 26,2 1-55 6-15 28.8 64,9 45,2 63,2

5 65 17,5 17,5 325 27,0 2-05 6-45 26,6 58,2 39,6 60,5

6 60 20 20 326 28,1 2-55 5-40 28,6 52,5 36,7 55,5

7 60 10 30 356 26,1 1-50 5-50 28,4 51,6 38,8 52,6

8 60 30 10 334 29,3 3-20 6-40 23,6 44,3 35,2 51,1

ционной добавки и содержания в ней ЗШС повышает нормальную густоту цементного теста, сокращает начало и несколько удлиняет конец схватывания композиционного цемента по сравнению с портландцементом с добавкой ДГШ. По срокам схватывания и равномерности изменения объема цементного камня все составы композиционного цемента удовлетворяют требованиям стандарта на общестроительные цементы.

Введение композиционной добавки, особенно в количестве 30-40 %, замедляет твердение и снижает прочность при сжатии цементного камня при его хранении в воде. Наилучшие результаты по прочности при твердении в нормальных условиях показал композиционный цемент, содержащий 30 % смешанной добавки (состав № 4). Показано, что после тепловлажностной обработки композиционный цемент, содержащий от 21 до 40 % добав-ки(кроме состава № 8), имеет прочность при сжатии более высокую по сравнению с портландцементом (состав Ха 1). Наибольшую прочность после пропаривания через 1 и 28 суток показывает цемент, содержащий 30 % композиционной добавки (15 % ЗШС и 15 % ДГШ). Объяснением этому

может быть повышенное содержание в цементном камне частично закристаллизованных низкоосновных гидросиликатов кальция типа СБЩВ), обнаруженные рентгенофазовым анализом.

Таким образом, подобран оптимальный состав и изучены физико-механические свойства композиционного цемента на основе клинкера ЗАО «Невьянский цементник» с использованием в качестве минеральной добавки золошлаковой смеси с отвала Верхнетагильской ГРЭС, который рекомендуется использовать в первую очередь для производства бетонных и железобетонных изделий, подвергаемых тепловлажностной обработке.

Литература

1. ГОСТ 31108-2003. Цементы общестрои-тельные. Технические условия. Введ. 01.01.2004. — М.: ФГУП ЦПП, 2004. - 20 с.

2. Золошлаковая смесь ТЭС - минеральная добавка в цемент // Ф.Л. Капустин, Д.В. Рагозин, А.А. Кузнецов и др. / Строительное материаловедение сегодня: актуачьные проблемы и перспективы развития: материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Челябинск: ЮУрГУ, 2010. - С. 58-60.

Поступила в редакцию 28 марта 2011 г.