Металлургические шлаки являются продуктом плавления флюсующих пород (обычно известняков или извести), облегчающих плавку металлов и извлекающих  из них вредные примеси.

В зависимости от химического состава  и условий охлаждения кристал-лические шлаки могут содержать силикаты кальция в виде различных модификаций белита, ранкинит, псевдоволластонит, мелилит, оксид магния, железосодержащие минералы и могут быть в свободном состоя-нии оксиды и гидроксиды кальция и магния. Содержание белитовой фазы в шлаках колеблется от 30 до 60%, что  делает их весьма перспективным сырьем для производства строительных материалов. На основе таких шлаков можно получить строительные материалы высокого качества при меньших энергозатратах.

Рентгенофазовый анализ показал наличие в шлаке ОЭМК:  γ-модификации C2S, MgO, Fe2O3, FeO, SiO2  и частично неразложившийся СаСО3. По модулю основности шлак является высокоосновным. Химический состав шлака приведен в табл.1. Данный шлак преимущест-венно состоит из рассыпавшейся белитовой фракции (содержание C2S=60%). В естественных условиях твердения форма C2S является инертной. MgO в шлаках представлен в основном периклазом, при авто-клавной обработке дает значительное увеличение объема. Ускорить процесс гидратации этих фаз можно, используя активизаторы тверде-ния, в частности щелочи. В качестве такой добавки можно использовать пыль вращающихся печей цементных заводов с высоким содержанием щелочей.

При исследовании пыли электрофильтров вращающихся печей ЗАО «Белгородский цемент» обнаружено в ней повышенное содержание щелочей КСl, К3Na(SО4)2, а также  небольшое количество СаСО3, SiО2.  Пыль поля №3 ЗАО «Белгородский цемент» отличается от предыдущих проб повышенными дисперсностью  (Sуд =243 м2/кг)  и содержанием растворимых соединений до 72,5 %

Таблица 1

Химический состав исходных материалов

При исследовании  влияния цементной пыли на активность шлака в со-ставе известково-песчаного вяжущего шлак предварительно измель-чали до  Sуд=498,2 м2/кг. Образцы пластического формования автоклавировали при Т=175 оС по режиму 2–6–2 часа. При введении пыли в шлак (состав 7, см. табл.2) автоклавированные образцы не испытывали неравномерность изменения объема, прочность при сжатии образцов составила 6,7 МПа. Следовательно, цементная пыль активизирует гидратацию основных компонентов шлака.

Смешанное вяжущее из шлака, извести, кварцевого песка с добавкой цементной пыли (составы 9, 10, 11, см. табл.2) характеризуется более высокой активностью в сравнении с известково-песчаным вяжущим (состав 1, табл. 2). Наибольшие значения прочности (20,1 МПа ) вяжущего получены при замене извести на 60% шлаком и введении 5% пыли цементных вращающихся печей. Большее количество пыли снижает содержание активной составляющей вяжущего (шлак-известь), что сказывается на уменьшении прочности вяжущего. Таким образом, оптимальное количество вводимой пыли в известково-песчаное составляет 5 %.

Таблица 2

Состав и свойства вяжущих автоклавного твердения

По данным химического и рентгенофазового анализа в вяжущем опти-мального состава не обнаружено в свободном состоянии МgО и -С2S вследствие полной их гидратации, а также Са(ОН)2 и Мg(ОН)2 - в ре-зультате взаимодействия с кремнеземом с образованием гидросилика-тов кальция различной основности и гидросиликатов магния.

Результаты работы проверены на образцах силикатного кирпича. Уста-новлено, что прочность образцов при использовании шлака с введением пыли электрофильтров вращающихся печей цементных заводов повы-шается на  28%.

Другое направление увеличения эффективности использования шлака в автоклавном вяжущем является его предварительный нагрев в присутст-вии щелочесодержащих компонентов. Из литературных данных известно, что наличие щелочей в сырьевых смесях способствует легированию отдельных клинкерных фаз (белита) [2]. Обжиг шлака в интервале тем-ператур 1000-1150 оС показал [3], что происходит переход -С2S в -С2S.

Для изучения процессов твердения автоклавного вяжущего предвари-тельно проводился обжиг шлака с добавкой цементной пыли в количестве от 0 до 10% при 1000 и 1150оС, который в последующем вводился в известково-песчаное вяжущее в замен извести (см. табл.3). Сравнение активности вяжущих автоклавного твердения с контрольным вяжущим производилось в образцах пластичной консистенции с заданной влажностью при том же режиме автоклавной обработки. Прочностные характеристики автоклавированных вяжущих приведены в табл.3

Таблица 3

Прочность автоклавированных вяжущих на основе
 обожженных шлако-щелочных вяжущих

Максимальные значения прочности получены в вяжущем при введении шлака с 5%-ой добавкой пыли, что характерно и для вяжущего с не-обожженным шлако-щелочным продуктом. Однако по абсолютному значению прочности ниже, что является следствием высокого содержания извести в вяжущем.

Таким образом, при использовании сталеплавильного шлака повышает-ся эффективность производства автоклавных вяжущих – возможно по-лучение высокопрочных вяжущих при сокращении времени автоклав-ной обработки. Разработанные составы вяжущих позволяют активно утилизировать вторичные ресурсы и успешно решать проблемы экологии данного региона.
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горшков В.С., Александров С.Е., Иващенко С.И. Использование металлургических шлаков в промышленности строительных материалов // Журнал Всесоюзного химического общества им. Менделеева, Т.ХХVII, №5. – Издательство «Химия», 1982. – 566 с.

2. Головизнина Т.Е. Синтез быстротвердеющего низкоосновного клинкера кратковременным высокотемпературным легированием: Ав-тор.  дис. к-та техн. наук. - Белгород, 2000. - 17 с.

3.  Кудеярова Н.П., Цыпченко Н.В. Фазовые превращения шлака ОЭМК при повышенных температурах в присутствии оксида кальция. // Сб. докладов на III Международной научно-практической конференции, посвященной памяти академика В.Г. Шухова. - Белгород, 2001.

С анализом российского рынка металлургических и топливных шлаков и с анализом оборудования для производства цемента на основе шлаков Вы можете познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков:

«Рынок шлаков в России»
«Анализ оборудования для производства шлакощелочного вяжущего»
«Бизнес-план организации шлакощелочного вяжущего и пенобетона на его основе»

Н.В. Цыпченко,  Н.П. Кудеярова
(БелГТАСМ, г. Белгород)