Исследование влияния доменного гранулированного шлака на свойства плотного силикатного бетона

Исследование влияния доменного гранулированного шлака на свойства плотного силикатного бетона

Панченко Юлия Федоровна,

к.т.н., доцент кафедры «Строительные материалы», ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»,

jfpanchenko@mail.ru

Панченко Дмитрий Алексеевич,

старший преподаватель кафедры «Строительные материалы», ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет», indyboot@list.ru

Хафизова Эльза Назифовна,

к.т.н., доцент, доцент кафедры «Строительные материалы», ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет», hafizova_elza@mail.ru

Статья посвящена исследованию возможности применения доменного гранулированного шлака (ДГШ) Нижнетагильского металлургического комбината в производстве силикатного бетона автоклавного твердения. Установлено, что при замене 15 % из-вестково-кремнеземистого вяжущего в составе сырьевой смеси молотым доменным гранулированным шлаком, происходит увеличение прочности силикатного бетона, а, при содержания ДГШ 22%, прочность не снижается по сравнению с контрольным составом. Кроме того, введение тонкомолотого ДГШ в состав силикатного бетона способствует формированию более плотной структуры. Результаты исследования структуры силикатных образцов с помощью ртутной порометрии показали, что более плотная структура бетона формируется не только за счет лучшей упаковки частиц смеси, но и за счет формирования более плотного цементирующего вещества, с меньшим количеством гелевых пор. Это свидетельствует о способности ДГШ к твердению в условиях автоклавной обработки, что подтверждается результатами дифференциально-термического анализа. Таким образом можно сделать вывод, что замена части извести на тонкомолотый ДГШ в составе силикатного бетона приводит к улучшению его структуры при одновременном сохранении прочности. Это позволяет не только экономить дорогостоящую известь в силикатных бетонах автоклавного твердения, но и способствует увеличению долговечности силикатных материалов.

Ключевые слова: Доменный гранулированный шлак, силикатный бетон, структура, пористость, прочность

Силикатный кирпич и силикатные блоки по праву можно считать энергоэффективными материалами, так как для их производства применяется малозатратная технология, не требующая высокотемпературного обжига изделий. Основными компонентами для их производства служат технологический песок с модулем крупности до 1,5, который значительно дешевле крупнозернистого песка, применяемого в бетонах и известь, стоимость которой также меньше стоимости цемента. Не смотря на то, что извести в составе силикатных материалов всего около 9-13 %, именно она оказывает основное влияние на себестоимость силикатных изделий. Поэтому, исследования в направлении экономии извести в составе силикатного бетона, являются весьма перспективными. Кроме того, сырьевая база для производства извести ограничена, карьеры известняка, как правило, расположены на значительном удалении от силикатных предприятий, транспортные расходы на его доставку весьма значительны и зачастую превышают стоимость самого известняка. Поэтому, расширение сырьевой базы материалов для получения вяжущего для силикатного бетона, перспективно за счет применения отходов промышленности, при этом решаются вопросы утилизации отходов и улучшения экологической обстановки в регионе.

Известны исследования по применению в качестве связующего в силикатных бетонах известково-белито-вого вяжущего (ИБВ), получаемого путем обжига мелового мергеля при температуре 1000° С [1]. Данные исследования показывают, что путем применения ИБВ можно незначительно повысить прочность силикатного бетона. Широкое применение в промышленности строительных материалов находят доменные гранулированные шлаки [2-8].

Как правила в промышленности строительных материалов используют мало закристаллизованные основные шлаки, с модулем основности более единицы, обладающие гидравлической активностью [9]. Однако, доменные шлаки металлургических заводов Урала и Сибири имеют модуль основности менее единицы и к самостоятельному гидравлическому твердению практически не способны [10]. Потенциал таких шлаков может быть использован в материалах автоклавного твердения [11].

Целью данного исследования является: оценка возможности применения кислого доменного гранулированного шлака для замены части извести в известково-кремнеземистом вяжущем и его влияния на свойства плотного силикатного бетона автоклавного твердения.

В исследованиях применялся шлак Нижнетагильского металлургического комбината, химический состав представлен в таблице 1.

X X

о

го А с.

X

го т

о

Таблица 1

Химический состав доменного гранулированного шлака Ниж-

Содержание оксидов, % М0 Ма

SiO2 АЬОз FeO МпО CaO МдО SOз | S

38,1 18,2 0,2 0,7 36,1 5,5 1,1 0,74 0,48

ю 00

2 О

м о

Доменный гранулированный шлак подвергался помолу в шаровой лабораторной мельнице до удельной поверхности 2000 г/см2 и вводился в состав известково-песчаной смеси взамен части извесково-кремнеземи-стого вяжущего (ИКВ) применяемого для производства силикатного кирпича на предприятии ООО «Инвест-си-ликат-стройсервис». На предприятии ИКВ получено совместным помолом в шаровых мельницах кварцевого песка и комовой не гашеной извести в соотношении 1:2 до удельной поверхности 4500-5000 см2/г и имеет активность 52% . Молотый шлак ввозился в состав извест-ково-песчаной смеси в количестве от 90 до 15% в замен ИКВ. Составы известково-песчаной смеси (ИПС) представлены в таблице 2.

Таблица 2

Составы известково-песчаной смеси

№ Состава Содержание компонента, %

Песок ИКВ Шлак

0 80 20 0

1 80 17 3

2 80 14 6

3 80 10 10

4 80 2 18

ИПС готовилась путем смешивания требуемого количества песка, ИКВ и молотого шлака, последующего добавления воды и выдерживания смеси в закрытой емкости в течение 1 часа до полного гашения извести. После этого смесь доводилась до формовочной влажности 7-7,5%.

Свойства силикатного бетона изучались на образцах цилиндрах диаметром 3 см, высотой 3 см. Образцы изготавливались путем формования на ручном прессе при нагрузке 900 кгс/см2, что соответствует давлению прессования силикатного кирпича. Отформованные образцы помещались в промышленный автоклав, где подвергались автоклавной обработке при давлении 0,9 МПа в течение 8 часов.

Результаты оценки плотности и прочности образцов, представленные таблице 3, показали, что при замене 15 % ИКВ молотым доменным гранулированным (или 3% шлака в составе ИПС) происходит увеличение прочности силикатного бетона по сравнению с контрольным составом, что может свидетельствовать о способности шлака к твердению в условиях автоклавной обработки.

Увеличение плотности силикатного бетона происходит до содержания молотого шлака 30% в составе ИКВ (или 6% шлака в составе ИПС). При дальнейшем увеличении доли шлака, плотность начинает снижаться.

Таблица 3

Результаты испытания образцов

№ Состава Плотность, кг/м3 Прочность, МПа

0 1790 18,3

1 1825 19,7

2 1805 16,8

3 1785 11,5

4 1775 5,2

Для понимания того, какие структурные изменения происходят в силикатном бетоне при введении в его состав молотого доменного гранулированного шлака, были проведены исследования структуры силикатных образцов № 0 и 2 с помощью ртутной порометрии. Результаты исследования, приведенные в таблице 4, показывают, что изменяется не только общая пористость образцов, но и распределение пор по размерам. При введении в состав силикатного бетона молотого ДГШ увеличивается межзерновая пористость (размером 3,5130 мкм), при этом снижается пористость гелевая.

Таблица 4

Влияние ДГШ на пористость силикатного бетона

№ Состава Пористость,%

Общая Межзерновая Гелевая

0 36,35 4,28 32,07

2 23,8 10,2 13,6

Рисунок 1 - Образцы силикатного бетона а) до автоклавной обработки; б) после автоклавной обработки

Результаты дифференциально-термического анализа образцов силикатного бетона, представленные на рисунках 2 и 3, показывают, что потеря массы в диапазоне температур 100-600 °С составляет 4%, следовательно, количество гидросиликатов кальция в обоих образцах одинаковое и составляет 29,8%.

Рисунок 2 - Кривая ДТА образца без ДГШ

Г х»

/ \ 1 / \ 1 V ( л -— in« < 1 — у Щ1*С t V-___. с 1

У уГ *

1» МО 3 <00 МО «ОО T*Mrt*p*f>fM ГС ТОО 800 SOT

Рисунок 3 - Кривая ДТА образца, содержащего 6 % ДГШ

Это говорит о том, что при незначительных дозировках молотого ДГШ, более плотная структура бетона формируется не только за счет лучшей упаковки частиц смеси, но и за счет формирования более плотного цементирующего вещества, с меньшим количеством геле-вых пор (размером 6 до 3500 нм), что свидетельствует о гидравлической активности шлака в условиях автоклавной обработки.

Таким образом, можно сделать вывод, что возможна замена до 22% известково-кременеземистого вяжущего тонкомолотым доменным гранулированным шлаком (или 4% в составе ИПС) в составе силикатного бетона без снижения его прочностных характеристик. При этом, достигается не только экономия дорогостоящей извести, но и происходит улучшение структуры силикатного бетона, что способствует повышению его долговечности.

Литература

1. Бекбосынова Р.Ж., Туремуратов Ш.Н. Силикатные изделия на основе известково-белитовых материалов, полученных из местных мергелей республики Кара-калпакстан // Universum: химия и биология. 2019. № 10 (64). С. 42-44.

2. Капустин Ф.Л., Рагозин Д.В., Кузнецов А.А., Семериков И.С., Капустин А.Ф. Влияние доменного шлака на качество цемента по ГОСТ 31108-2003 // Вестник ЮжноУральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2010. № 15 (191). С. 2224.

3. Дворкин О.Л., Дворкин Л.И., Степасюк Ю.А. Пути активации твердения малоклинкерного шлакопортланд-цемента // Сухие строительные смеси. 2015. № 3. С. 3539.

4. Рахимова Н.Р., Рахимов Р.З., Фатыхов Г.А. Комплексное использование шлаков и бетонного лома в производстве шлакощелочных вяжущих // Экология и промышленность России. 2012. № 2. С. 39-41.

5. Петрова Т.М. Взаимосвязь структуры и долговечности шлакощелочных бетонов на основе доменных и сталеплавильных шлаков // Вестник гражданских инженеров. 2012. № 4 (33). С. 167-173.

6. Солонина В.А., Хафизова Э.Н., Панченко Ю.Ф. Строительные материалы на основе отходов промышленности. / Учебное пособие, Тюмень, - 2019.

7. Хайдаров Б.Б., Суворов Д.С., Колесников Е.А., Мазов И.Н., Кузнецов Д.В., Марушина А.А., Жукова П.А. Разработка энергоэффективной технологии получения и исследование бесклинкерных материалов на основе

доменных гранулированных шлаков. // В сборнике: Современные методы и технологии создания и обработки материалов. Сборник научных трудов в 3 книгах. Минск, 2017. С. 243-252.

8. Халюшев А.К., Стельмах С.А., Щербань Е.М., Серебряная И.А., Егорочкина И.О., Нажуев М.П. Влияние доменного гранулированного шлака на коэффициент теплопроводности в неавтоклавном газобетоне // Вестник СевКавГТИ. 2017. № 3 (30). С. 153-157.

9. Трофимов Б.Я., Шулдяков К.В. Молотый доменный гранулированный шлак и способы его активации // В сборнике: Пром-Инжиниринг. труды международной научно-технической конференции. ФГБОУ ВПО «ЮжноУральский государственный университет» (национальный исследовательский университет). 2015. С. 146-152.

10. Шулдяков К.В., Крамар Л.Я., Трофимов Б.Я. Свойства цемента с добавками шлака и его влияние на структуру цементного камня // В сборнике: Пром-Инжи-ниринг. труды II международной научно-технической конференции. ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет). 2016. С. 523-527.

11. Torben C. Hansen, Henrik Narud. Recycled concrete and fly ash make calcium silicate bricks // Cement and Concrete Research. Volume 13, Issue 4 July. 1983. Pages 507-510.

Research of granulated-blast furnace slag influence on the

dense silicate concrete properties Panchenko Iu.F., Panchenko D.A., Khafizova E.N.

Industrial University of Tyumen

The article deals with the study of using granulated blast-furnace slag of Nizhny Tagil Steel Production Plant in the manufacturing of autoclaved silicate concrete. It was found that replacing 15% of lime-silica binder in the composition of the raw mixture with ground granulated blast-furnace slag increase the strength of silicate concrete and when the content of granulated blastfurnace slag is 22% the strength does not decrease in comparison with the control composition. Besides, addition of finely ground granulated blast-furnace slag into the composition of silicate concrete leads to the denser structure. The studying results made by mercury porosimetry of silicate samples structure showed that a denser concrete structure is formed not only due to better packing of the mixture particles but also due to the formation of a denser cementing substance with smaller number of gel pores. This indicates the ability of granulated blast-furnace slag to harden under autoclave conditions which is confirmed by the results of differential thermal analysis. Thus, it can be concluded that replacing a part of lime with finely ground blast-furnace slag in the composition of silicate concrete leads to an improvement its structure while maintaining strength. This allows not only to save expensive lime in autoclaved silicate concretes but also helps to increase the silicate materials durability. Key words: granulated blast-furnace slag, silicate concrete,

structure, porosity, strength. References

1. Bekbosynova R. Zh., Turemuratov Sh. N. Silicate products based

on lime-belite materials made out of Karakalpak Republic local marls // Universum: chemistry and biology. 2019. No. 10 (64). Pp. 42-44. (rus).

2. Kapustin F. L., Ragozin D. V., Kuznetsov A. A., Semerikov I. S.,

Kapustin A. F. The influence of blast-furnace slag on the quality of cement according to GOST 31108-2003 // Bulletin of the South Ural State University. Series: Building and architecture. 2010. No. 15 (191). Pp. 22-24. (rus).

3. Dvorkin O. L, Dvorkin L. I, Stepasyuk Yu. A. The ways of activating the hardening of low-clinker portland blast-furnace slag cement // Dry plasters and mortars. 2015. No. 3. Pp. 3539. (rus).

X X О го А С.

X

го m

о

ю 00

2 О

м о

4. Rakhimova N. R., Rakhimov R. Z., Fatykhov G. A. Complex use

of slags and concrete scrap in the production of slag-alkali binders // Ecology and Industry of Russia. 2012. No. 2. Pp. 3941. (rus).

5. Petrova T. M. The relation between the structure and durability of

slag-alkaline concretes based on blast-furnace and steel-making slags // Bulletin of Civil Engineers. 2012. No. 4 (33). Pp. 167-173. (rus).

6. Solonina V. A., Khafizova E. N., Panchenko Yu. F. Construction

materials based on industrial wastes / Study guide. Tyumen. 2019. (rus).

7. Khaidarov B. B., Suvorov D.S., Kolesnikov E. A., Mazov I. N.,

Kuznetsov D. V., Marushina A. A., Zhukova P. A. Development of energy efficient technology for production and research of clinker-free materials based on granulated blast-furnace slags // Modern methods and technologies for creating and processing materials. Collection of scientific papers in 3 books. Minsk, 2017. Pp. 243-252. (rus).

8. Khalyushev A. K., Stelmakh S. A., Shcherban E. M., Serebryanaya I. A., Egorochkina I. O., Nazhuev M. P. Influence of granulated blast-furnace slag on the thermal conductivity coefficient in non-autoclave aerated concrete // Vestnik SevKavGTI. 2017. No. 3 (30). Pp. 153-157. (rus).

9. Trofimov B. Ya., Shuldyakov K. V. Ground granulated blast-

furnace slag and methods of its activation // Prom-Engineering. proceedings of the international scientific and technical conference. South Ural State University" (National Research University). 2015. Pp. 146-152. (rus).

10. Shuldyakov K. V., Kramar L. Ya., Trofimov B. Ya. Properties of cement with slag additives and its effect on the cement stone structure // Prom-Engineering. proceedings of the II International Scientific and Technical Conference. South Ural State University (National Research University). 2016. Pp. 523527. (rus).

11. Torben C. Hansen, Henrik Narud. Recycled concrete and fly ash make calcium silicate bricks // Cement and Concrete Research. Volume 13, Issue 4 July. 1983. Pp. 507-510.

o

CN O CN

CO

O HI

m x

<

m o x

X