Использование отходов металлургического производства при изготовлении вяжущих материалов

Гидравлические вяжущие на основе шлаков и соединений щелочных металлов являются перспективными материа­лами, позволяющими вовлечь в сферу производства попутные продукты промышленности, при изготовлении которых расходуется значительно меньше тепловой и электрической энергии, чем при производстве портландцемента. 

Щелочные и щелочно-щелочноземельные алюмосиликатные вяжущие, частным случаем которых являются шлакощелочные вяжущие (ШШВ), разработаны в 1960-е годы д-ром техн. наук., проф. В.Д. Глуховским. В качестве щелочных компонентов ШШВ используют соду, фторид натрия, растворимые щелочные силикаты и др. После переработки и апробации в лабораторных условиях в качестве щелочных компонентов могут найти применение щелочесодержащие отходы, образующиеся в различных отраслях промышленности. Щелочной компонент вводится в количестве 2,5—15 % массы шлака. 

Находясь в составе ШШВ, щелочной компонент оказывает на них сильное пластифицирующее действие, поэтому они обладают пониженной водопотребностью и повышенной удобоукладываемостью. Активность ШШВ зависит от вида шлака, его химико-минералогического состава, основности, удельной поверхности, способа грануляции и помола, вида и плотности щелочного компонента, условий твердения и др. Прочность на сжатие ШШВ составляет 40—150 МПа. 

В целом свойства ШШВ варьируются в широких пределах в зависимости от характеристик шлака (модуля основности, плотности и др.) и щелочного компонента. Например, сроки схватывания ШШВ могут быть и короткими, и очень длинными, их требуется регулировать. Сталеплавильные шлаки не гранулируются, и их нужно дробить, а также удалять включения металла. Они не позволяют получить ШШВ такой же прочности, как доменный шлак. 

Разработанные способы модификации свойств шлакощелочных вяжущих позволяют использовать их не только в областях применения обычных портландцементов, но и высокопрочных, быстротвердеющих, морозо- и жаростойких, сульфатостойких портландцементов, а также глиноземистых цементов.

На основе ШШВ можно производить тяжелые конструкционные, легкие конструкционные, конструкционно-теплоизоляционные и теплоизоляционные бетоны. Легкие конструкционные, а также конструкционно-теплоизоляционные шлакощелочные бетоны классов В15—В50 со средней плотностью 1400—1800 кг/м3 изготавливают с использованием пористых заполнителей, известняка-ракушечника, отходов древесины. В зависимости от условий работы шлакощелочные бетоны могут иметь марки по морозостойкости F200—F1300 (даже при использовании низкопрочных неморозостойких пород в качестве заполнителей); марки по водонепроницаемости изменяются в пределах W4—W30. Важным преимуществом шлакощелочных бетонов является возможность использования при их изготовлении загрязненных заполнителей, содержащих до 5 % глинистых и до 20 % пылевидных частиц, что не допускается при изготовлении бетонов на основе порт­ландцемента. Это связано с одной из характерных особенностей шлакощелочных бетонов — способностью щелочного компонента активно взаимодействовать не только со шлаками, но и с глинистыми и твердыми частицами, содержащимися в заполнителях.

Шлаки, используемые для изготовления шлакощелочных бетонов, можно разделить на четыре группы: 

I — гранулированный доменный шлак, с использованием которого можно изготавливать бетон класса до В80—В110; 

II — гранулированный ваграночный шлак (до В50); 

III — смешанные вяжущие, содержащие не менее 40 % доменных и 60 % сталеплавильных шлаков (до В40); 

IV — негранулированные сталеплавильные шлаки (до В30). 

Бетоны с самыми лучшими свойствами можно получить, используя в составе ШШВ молотый гранулированный доменный шлак с такой же удельной поверхностью, как у цемента. 

Чрезвычайно важна стабильность характеристик шлаков. При изготовлении ШШВ необходима статистическая обработка данных о химическом составе шлаков. Его постоянство позволяет исключить риски производителя и потребителя. На наш взгляд, сегодня наиболее востребованы шлаки, имеющие гарантированные свойства. Сочетание разных шлаков, хранившихся в отвалах, тем более в сочетании с другими отходами, исключает возможность их использования для изготовления шлакощелочных бетонов требуемой надежности и долговечности. 

Шлакощелочные бетоны нашли применение в промышленном и гражданском строительстве, в сооружениях гидротехнического, водо- и сельскохозяйственного назначения, в бетонных дорожных покрытиях, для инкапсуляции токсичных отходов, изготовления подвергающихся динамическим воздействиям конструкций и др. 

Высокая эксплуатационная надежность шлакощелочных бетонов обусловливает возможность использования их в конструкциях особо ответственного, а также специального назначения. В 1990 году на магистрали С.- Петербург—Мос­ква впервые в стране были уложены и до настоящего времени успешно эк­с­­­плуатируются переводные брусья из предварительно напряженного высокопрочного шлакощелочного бетона. Проводится периодический мониторинг их состояния. 

Поскольку экономическая эффективность бетонов опреде­ляется их долговечностью, наиболее эффективными являются бетоны высоких классов на основе молотых гранулированных шлаков и растворимого силиката натрия.