Особенности формирования структуры цементных бетонов, наполненных шлаковыми отходами металлургических производств

вестник 11/2012

УДК 666.972

Л.Н. Губанова, О.Ю. Пушкарская, Л.А. Алимова, Т.К. Акчурин

ФГБОУ ВПО «ВолгГАСУ»

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ, НАПОЛНЕННЫХ ШЛАКОВЫМИ ОТХОДАМИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Актуальность вопроса замены дефицитного традиционного сырья строительной отрасли схожими по составу и состоянию отходами металлургии несомненна с экономической и экологической точки зрения. Структура и физико-механические свойства наполненной композиции определяются видом и количеством новообразований, скоростью образования фаз, структурой порового пространства. Проведенные исследования показывают, что предлагаемые составы мелкодисперсных наполненных шлаковыми отходами бетонов имеют прочностные характеристики выше исходных. Шлаковые отходы исследуемых металлургических производств могут быть использованы в качестве наполнителей бетонов.

Ключевые слова: композиты, шлаковые отходы металлургии, цементные бетоны, минеральные добавки, однородность состава, многокомпонентный композит, прочность цемента, расширение сырьевой базы строительных материалов.

Ограниченность или исчерпанность минеральных сырьевых ресурсов строительной отрасли обостряет проблему рационального материалопотребления и делает ее актуальной. Поэтому важна замена дефицитного традиционного сырья схожими по составу и состоянию отходами. Металлургия традиционно является одним из главных «поставщиков» техногенного сырья для различных отраслей промышленности. Особенность ее многотоннажных отходов заключается в том, что техногенное сырье уже прошло высокотемпературную обработку, кристаллические структуры в отходах сформированы, и они не содержат органических примесей.

Расширение номенклатуры строительных композиций позволило ряду авторов еще в 1980—1990-е гг. разработать новые технологии получения композиций бетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками за счет использования различных видов техногенных сырьевых материалов и способов химической модификации, введения активных минеральных добавок при оптимизации состава многокомпонентного бетона и управления технологическими параметрами производства.

Проведенные нами исследования химического состава металлургического шлака ОАО «Волжский трубный завод» (ВТЗ) показали низкое содержание двуокиси кремния и оксидов кальция и магния (табл. 1), что существенным образом влияет на гидравлическую активность шлаков, характеризующуюся модулем основности Мо < 1,0.

Табл. 1. Химический состав шлака ОАО ВТЗ

Содержание элементов в шлаке, %

бЮ2 ^3 MgO CaO ОД

18,9/20,8 2,2/14,7 1,5/3,5 4,5/1,2 12,1/5,4

Исследование химического состава шлака производства ферросплавов ЗАО «Камышинский литейно-ферросплавный завод» (КЛФЗ) проведено рентгеноспек-тральным анализом на спектрометре S4 PЮNTEER. Химический состав шлака представлен в табл. 2.

Табл. 2. Химический состав шлака ЗАО КЛФЗ

Содержание элементов в шлаке, %

SiO2 А12°З MgO CaO MnO Fe6 общее Mo

65,6 10,9 1,4 9,0 0,50 9,5 Не обнар.

Модуль основности шлака производства ферросплавов КЛФЗ также меньше единицы. Из шлаков производства ферросплавов наибольший интерес представляют шлаки с высоким модулем основности Мо > 1,7, относящиеся к выплавкам феррохрома и феррованадия. В ферросплавных шлаках преобладает ортосиликат кальция в у-модификации. Такие шлаки при охлаждении обычно рассыпаются в шлаковую муку. Кислые ферромолибденовые шлаки (КЛФЗ) содержат остаточные количества элементов Сг, V, Мо в виде металлов, оксидов или других соединений [1—3].

Ввиду кислого характера шлаков (Мо < 1), введение их мелких фракций в бетон можно рассматривать как наполнение композиции, частично участвующей в формировании микроструктуры матричной части (цемент) и контактных зон в конгломе -ратах. Фракции шлака могут выполнять функцию микронаполнения пор в микроструктуре без вступления во взаимодействие с компонентами.

Для подтверждения высказанных предположений были изготовлены два комплекта образцов — кубиков 70*70*70 на основе цемента с добавкой измельченного шлака (шлак производства ферросплавов — ШПФ, металлургический шлак ВТЗ — МШ). Набор прочности осуществлялся по температурно-влажностному режиму (7 сут +21 сут).

Для определения полноты гидратации цемента с добавкой шлака в образцах и структурных процессах формирования композиции использовали микроскопические методы анализа. Из образца-кубика были изготовлены срез-пластины. Поверхность не шлифованная. Исследование внутренней структуры образцов с добавкой шлака проводилось при помощи стереоскопического микроскопа МБС-9 (3,3-100,8Х), дающего прямое стереоскопическое изображение исследуемого образца.

На рис. 1 изображена внутренняя структура образца композиции мелкодисперсного бетона, наполненного МШ после 7 сут набора прочности.

а б

Рис. 1. Микроскопическое изображение структуры образца мелкозернистого бетона с наполнением МШ: а — 7 сут набора прочности; б — 28 сут набора прочности

Структура рыхлая, мостики сцепления между компонентами композиции незначительные, процессы структурообразования выражены слабо (рис. 2, а). Можно сказать, что материал представляет собой дисперсно-упрочненный композит, между компонетами которого существует только механическая связь, обусловленная процессами адгезии. Через 28 сут структура композита видоизменилась (рис. 2, б).

ВЕСТНИК

11/2012

Характер распределения компонентов, изменение размера и формы поровых пространств позволяют сделать вывод о наличии реакционных связей между компонентами, что в конечном итоге должно привести к изменению физико-механических показателей, в частности, к повышению прочности композита. Прочность при сжатии возросла в три раза.

а б

Рис. 2. Микроскопическое изображение структуры образца мелкозернистого бетона, наполненного ШПФ

На рис. 2 приведена внутренняя структура среза-пластины образца композиции мелкодисперсного бетона, наполненного ШПФ, после 7 сут набора прочности. Поверхность не шлифованная.

Внутренняя структура образцов гетерофазная, типичная для дисперсно -упрочненного композита, неоднородная, наблюдаются включения изометричной формы (см. рис. 2, а). Отмечено наличие закристаллизованной стекловидной составляющей. Структура пористая, размер пор — от 0,5 до 1 мм.

Неоднородная гетерофазная структура образца свидетельствует о наличии частиц ШПФ различного размера, исходный измельченный шлак не рассевался по фракциям. Контактная зона состоит из контактного слоя цементного камня, контактного слоя частиц шлака и поверхности раздела между ними (см. рис. 2, б). Поверхность раздела размыта, что говорит о процессах химического взаимодействия. А контактный слой цементного камня представляет собой диффузионный промежуточный слой, осуществляющий непрерывный переход от вяжущего к шлаковому наполнителю. Сцепление объясняется плотным прилеганием и соединением шлакового наполнителя и цементного камня, возникающим благодаря поверхности зерен шлака. Сказанное выше свидетельствует о возможности использования фракций шлака в качестве наполнителя цемента.

Исследованиями установлено, что характер изменения прочности цемента с минеральными добавками ШПФ связан со способностью добавок работать как микронаполнители. При малых дозировках добавки ее частицы, равномерно распределяясь в тесте, играют роль включений, снижающих однородность и прочность цементного камня. При оптимальном содержании добавки в системе цемент + минеральная добавка прочность цемента повышается с 95 до 128 МПа. В этом случае частицы минеральной добавки играют роль элементов структуры цементного камня. Дальнейшее увеличение дисперсного материала может привести к разбавлению цемента добавкой и нарушению непосредственных контактов между частицами цемента, что приведет к снижению прочности [4].

Однородность состава композиции является важным фактором, влияющим на стабильность показателей качества изделий. Наряду с термином «качество смеси сыпучих материалов», справедливо использовать такую характеристику получаемой

композиции как однородность смеси. В отличие от материалов одной физико-химической природы для смеси сыпучих материалов однородность характеризуется постоянством составов минимальных объемов, представляющих формирующую смесь. Под общим понятием «состав» могут пониматься вещественный состав, химический состав, гранулометрический состав и пр. В силу случайного характера процесса смешивания сыпучих материалов бетона со шлаковым наполнителем, оценку качества получаемой смеси осуществляли методами статистического анализа однородности двухкомпонентной среды (цемент + шлак).

В идеальной смеси смешиваемые компоненты должны распределяться по ее объему таким образом, чтобы к любой частице одного из компонентов примыкали частицы других компонентов в количествах, определяемых заданными соотношениями компонентов. В реальных смесях наблюдаются более или менее значительные отклонения от такого идеально-однородного состояния.

Для объективной количественной оценки этих отклонений служат критерии качества смешивания сыпучего материала, вычисляемые на основе информации о пространственном распределении частиц смеси, полученной опытным путем или в результате теоретических расчетов.

Во многих исследованиях критерий качества смешивания является основной измеряемой величиной, для которой сопоставляются экспериментальные и теоретические значения, и на основании такого сопоставления делаются выводы об адекватности предлагаемой математической модели изучаемому процессу.

Несмотря на высокую научную и практическую значимость критерия качества смешивания, до сих пор не выработано единого подхода к его определению. В литературе [5] предлагается несколько десятков определений, применяющихся в зависимости от конкретных условий исследования: физико-механических свойств смешиваемых фракций, имеющейся математической модели процесса, типа экспериментальной установки. Большинство критериев качества смешивания можно отнести к одной из трех основных групп (рис. 3).

Рис. 3. Структурная схема критериев качества смешивания

Для оценки качества смешивания высоконаполненнной цементной композиции нами использовались образцы с добавкой ШПФ.

При определении разброса концентраций шлакового компонента использовались макроскопические методы анализа. Исследование структуры образцов с добавкой шлака проводилось при помощи стереоскопического микроскопа МБС-9 (3,3-100,8Х), дающего прямое стереоскопическое изображение исследуемого образца. Для расчета количества фазы шлака применялся точечный метод, количественной металлографии, используемый для определения объемных долей структурных составляющих или фаз. При практическом использовании точечного метода увеличе-

вестник

11/2012

ние микроскопа выбиралось таким образом, чтобы исследуемые структурные составляющие были достаточно большими для точного определения, попала точка в сечение фазы или нет. Расстояние между точками в сетке должно быть таким, чтобы не больше одной точки попало в сечение исследуемой микрочастицы.

На исследуемую структуру накладывалась сетка, состоящая из точек, и подсчи-тывалось число точек, лежащих в сечении микрочастиц исследуемой фазы (рис. 4).

а б

Рис. 4. Микроскопическое изображение структуры композиции мелкозернистого бетона, наполненного ШПФ, срез 1-2

Отношение числа точек, попавших в сечение фазы, к общему числу точек идентично стереометрическрому параметру объемной доли исследуемой фазы шлака. Объемное содержание шлаковой добавки в среднем по 12 образцам составляет около 40 %, что свидетельствует о равномерном распределении шлаковой добавки в смеси.

Наряду с численным значением объемного содержания шлакового компонента, необходимо использовать также параметр индекса смешивания, комплексно учитывающего силовые взаимодействия рабочего органа на смешиваемый материал, полноту участия смешиваемого материала в процессе смешивания, необходимое время контакта смешиваемого материала с рабочим органом смесителя.

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 в бетоне [2].

Библиографический список

1. Туркина И.А. Необходимость и опыт использования отходов производства // Сб. докладов V Междунар. конгресса по управлению отходами и природоохранным технологиям ВэйстТэк-2007. М., 2007. 220 с.

2. Бальзанников М.И., Петров В.П. Экологические аспекты производства строительных материалов из отходов промышленности // Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения : Восьмые академические чтения РААСН. Самара, 2004. С. 47—50.

3. Каушанский В.Е., Баженова О.Ю. Энерго- и ресурсосбережения в технологии портландцемента за счет использования техногенных и нетрадиционных материалов // Современные проблемы строительного материаловедения : Седьмые академические чтения РААСН. Белгород. 2001. С. 201—204.

4. Отходы ферросплавного производства — добавки высоконаполненных цементных бетонов / Л.Н. Губанова, О.Ю. Пушкарская, Л.А. Алимова, Т.К. Акчурин // Надежность и дол-

говечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : материалы VI Междунар. науч.-техн. конф. Волгоград : ВолгГАСУ, 2011. С. 137—141.

5. КафаровВ.В., Дорохов И.Н., Арутюнов С.Ю. Системный анализ процессов химической технологии. Процессы измельчения и смешивания сыпучих материалов. М., 1985. 440 с.

Поступила в редакцию в октябре 2012 г.

Об авторах: Губанова Людмила Николаевна — аспирант кафедры материаловедения и механики, Волжский институт строительства и технологий (филиал), ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ВолгГАСУ»), 404111, Россия, Волгоградская область, г. Волжский, пр. Ленина, д. 72, 8(8442)96-99-56, gubanovaln@mail.ru;

Пушкарская Ольга Юрьевна — кандидат технических наук, доцент кафедры технологии обработки и производства материалов, Волжский институт строительства и технологий (филиал), ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ВолгГАСУ»), 404111, Россия, Волгоградская область,

г. Волжский, пр. Ленина, д. 72, 8(8442)96-99-56, opushkarskaya@mail.ru;

Алимова Лилия Андреевна — аспирант кафедры строительных материалов и строительных технологий, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ВолгГАСУ»), 400074, г. Волгоград, ул. Академическая,

д. 1, 8(8442)96-99-56, lily-lily-88@mail.ru;

Акчурин Талгать Кадимович — кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительных материалов и строительных технологий, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ВолгГАСУ»), 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, д. 1, 8(8442)96-99-56; info@vgasu.ru.

Для цитирования: Особенности формирования структуры цементных бетонов, наполненных шлаковыми отходами металлургических производств / Л.Н. Губанова, О.Ю. Пушкарская, Л.А. Алимова, Т.К. Акчурин // Вестник МГСУ 2012. № 11. С. 152—158.

L.N. Gubanova, O.Yu. Pushkarskaya, L.A. Alimova, T.K. Akchurin

PECULIARITIES OF STRUCTURE FORMATION OF CEMENT CONCRETES FILLED WITH SLAG WASTE PRODUCTS OF METAL PROCESSING PLANTS

Relevance of traditional replacement of scarce resources of the construction industry similar to waste products in terms of their composition and condition is unquestionable from the viewpoint of their economy and the environment. The structure and physical properties of cement concretes filled with slag waste products are determined by the type and number of tumours, the phase generation rate, and the structure of the porous space. The research findings have proven that cement concrete compositions that contain slag demonstrate higher strength than those that have no slag. Slag waste products can be used as concrete aggregates.

The hydration ratio of samples of cement that had slag waste products added and the hydration ratio in the course of the composition formation were identified using methods of microscopy analysis. The structure of samples that had slag products added was analyzed through the employment of stereoscopic microscope MBS-9 (3.3 - 100.8X) capable of producing a direct-viewing image of the sample. The point method was employed to analyze the slag phase quantity. The point method of quantitative metallography was employed to identify the volume ratio of structural components or phases. Practical implementation of the point method requires a magnification rate sufficient for the structural components to be big enough to identify whether the point falls within the phase section or not. The point-to-point distance is to prevent two or more point to fall within one section of the micro-particle under research.

Optimal mineral additive quantity based on the minimal cement consumption rate or the minimal cost of concrete, and optimal mineral additive quantity based on the structure determined by the physical condition of the system, are driven by the redistribution of particles over the cement grout. The optimal mineral additive quantity from the viewpoint of its structure is the one to be selected, as the concretes that demonstrate the structure of this type have maximal strength as a response of the "Cement + Modifying Additive System" to the optimization of the disperse medium of the concrete.

Key words: composites, slag waste products of metal processing plants, cement concrete,

вестник ц/2012

mineral additives, composition uniformity, multi-component composite, cement strength.

References

1. Turkina I.A. Neobkhodimost' i opyt ispol'zovaniya otkhodov proizvodstva [Use of Production Waste Products: Demand and Expertise]. V Mezhdunar. kongress po upravleniyu otkhodami i priro-dookhrannym tekhnologiyam VeystTek-2007. [The 5th International Congress on Waste Management and Nature Protection Technologies VeystTek-2007]. Collection of papers, Moscow, 2007, 220 p.

2. Bal'zannikov M.I., Petrov V.P. Ekologicheskie aspekty proizvodstva stroitel'nykh materialoviz otkhodov promyshlennosti [Ecological Constituents of Production of Construction Materials from Industrial Waste Products]. Sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya stroitel'nogo materialovedeniya. Vos'mye akademicheskie chteniya RAASN [The present-day Status and Prospects for Development of the Construction Material Science. The 8th Assembly of the Russian Academy of Architectural and Construction Sciences]. Samara, 2004, pp. 47—50.

3. Kaushanskiy V.E., Bazhenova O.Yu. Energo- i resursosberezheniya v tekhnologii portland-tse-menta za schetispol'zovaniya tekhnogennykh i netraditsionnykh materialov [Power Saving and Resource-saving Technologies of Portland-cement Based on the Use of Technology-intensive and Unconventional Materials]. Sovremennye problemy stroitel'nogo materialovedeniya. Sed'mye akademicheskie chteniya RAASN. [Present-day Problems of the Construction Material Science. The 7th Assembly of the Russian Academy of Architectural and Construction Sciences]. Belgorod, 2001, pp. 201—204.

4. Gubanova L.N., Pushkarskaya O.Yu., Alimova L.A., Akchurin T.K. Otkhody ferrosplavnogo proizvodstva — dobavki vysokonapolnennykh tsementnykh betonov [Waste Products of Ferrous Alloy Production Process as Additives Designated for Cement Concretes That Have a High Rate of Fillers]. Nadezhnost' i dolgovechnost' stroitel'nykh materialov, konstruktsiy i osnovaniy fundamentov. Materialy VI Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Reliability and Durability of Construction Materials, Structures and Foundation Bases. Works of the 6th International Scientific and Technical Conference]. Volgograd, VolgGASU Publ., 2011, pp. 137—141.

5. Kafarov V.V., Dorokhov I.N., Arutyunov S.Yu. Sistemnyy analiz protsessov khimicheskoy tekhnologii. Protsessy izmel'cheniya i smeshivaniya sypuchikh materialov. [Systemic Analysis of Chemical Engineering Processes. Processes of Grinding and Mixing of Bulk Materials]. Moscow, 1985, 440 p.

About the authors: Gubanova Lyudmila Nikolaevna — postgraduate student, Department of Material Science and Mechanics, Volzhskiy Institute of Civil Engineering and Technologies (VISTECH, Branch of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering (VolgGASU), 72 pr. Lenina, Volzhskiy, Volgograd Region, 404130, Russian Federation; gubanovaln@mail.ru; +7(8442)96-99-56;

Pushkarskaya Ol'ga Yur'evna — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Technologies of Processing and Production of Materials, Volzhskiy Institute of Civil Engineering and Technologies (VISTECH, Branch of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering (VolgGASU), 72 pr. Lenina, Volzhskiy, Volgograd Region, 404130, Russian Federation; opushkarskaya@mail.ru; +7(8442)96-99-56;

Alimova Liliya Andreevna — Department of Construction Materials and Construction Technologies, Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering (VolgGASU), 1 Akademicheskaya st., Volgograd, 400074, Russian Federation; lily-lily-88@mail.ru; +7 (8442)96-99-56;

Akchurin Talgat" Kadimovich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Construction Materials and Construction Technologies, Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering (VolgGASU), 1 Akademicheskaya st., Volgograd, 400074, Russian Federation; info@vgasu.ru; +7 (8442)96-99-56.

For citation: Gubanova L.N., Pushkarskaya O.Yu., Alimova L.A., Akchurin T.K. Osobennosti formirovaniya struktury tsementnykh betonov, napolnennykh shlakovymi otkhodami metallurgicheskikh proizvodstv [Peculiarities of Structure Formation of Cement Concretes Filled with Slag Waste Products of Metal Processing Plants]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 11, pp. 152—158.