Цементы с использованием шлаков окисленных никелевых руд ОАО «Уфалейникель» в качестве активной минеральной добавки

Деятельность добывающих и перерабатывающих отраслей промышленности вызывает образование и дальнейшее накопление огромных количеств различных отходов [1], которые создают серьезные проблемы в области защиты окружающей среды и сохранения природных ресурсов.

Использование вторичных ресурсов и, прежде всего, промышленных отходов чрезвычайно важно по ряду причин - это обеспечивает производство богатым источником дешевого и часто уже подготовленного сырья; приводит к экономии капитальных вложений, предназначенных для строительства предприятий добывающих и перерабатывающих сырье, и повышению уровня их рентабельности, высвобождению значительных площадей земельных угодий и снижению степени загрязнения окружающей среды, экономии тепловой энергии и т. д. Поскольку объем промышленных отходов постоянно возрастает [1], последовательное повышение уровня их использования становится важнейшей общегосударственной задачей.

Производство вяжущих материалов относится к наиболее эффективным областям применения металлургических шлаков. Без корректировки состава гранулированный шлак медно-никелевого производства, хотя и не обладает способностью к самостоятельному твердению, но может служить активным компонентом в составе вяжущего.

В данной работе использовались следующие материалы: шлак окисленных никелевых руд ОАО «Уфалейникель», портландцемент ПЦ 400-Д20 Коркинского цементного завода.

По данным рентгенофазового анализа основная масса гранул шлака окисленных никелевых руд представлена магнезиально-железистым стеклом, содержащим в небольших количествах кристаллы оливина, сульфиды (капли штейна) и эмульсионную вкрапленность магнетита [3]. Оливин, содержание которого составляет около 5... 10 %, встречается в стекле в виде короткопризматических и игольчатых кристаллов. Сульфиды (капли штейна) образуют округлые, линзовидные и неправильные обособления с четкими границами. Химический состав данного материала представлен в табл. 1.

Портландцемент ПЦ400-Д20 по ГОСТ 10178 производства Коркинского цементного завода обладает следующим минералогическим составом цементного клинкера: C3S - 58.. .60 %; С3А - 5,5.. .7,0 %.

Химический состав цемента приведен в табл. 2.

Нормальная густота цементного теста - 23,87 %.

Сроки схватывания: начало — 1 ч 39 мин; конец - 3 ч 04 мин.

Синицын Д.Е.

Цементы с использованием шлаков окисленных никелевых руд ОАО «Уфалейникель» в качестве активной минеральной добавки

Таблица 1

Химический состав шлаков окисленных никелевых руд

Содержание основных окислов, %
SiO2	А12Оз	Fe2O3	FeO	СаО	MgO	r2o	so2	Остальное
33,4	3,4	2,1	46,6	11,2	1,7	0,6	0,3	0,7

Таблица 2

Химический состав цемента

Химический состав цемента, %								ППП, %
SiO2	А12О3	Fe2O3	СаО	MgO	SO3	СаОсв	R2O
21,38	5,55	3,92	62,44	1,25	2,65	0,35	0,70	1,И

Для изучения влияния добавки молотого шлака окисленных никелевых руд ОАО «Уфалейникель» в качестве активной минеральной добавки в составе портландцемента, его размалывали в лабораторном виброистирателе. Остаток на сите 008 составлял около 6,5 %, что соответствует удельной поверхности рядовых портландцементов.

При изучении влияния добавки молотого шлака окисленных никелевых руд на свойства портландцемента изменяли его процентное содержание. Количество добавки варьировалось от 0 до 100 % по массе. На полученном вяжущем определяли изменение нормальной густоты теста в зависимости от содержания добавки молотого шлака, а так же кинетику набора прочности образцов цементного камня. Испытания прочностных показателей включали данные полученные после испытания образцов, твердевших в течение продолжительного времени - два года.

В результате проведенных опытов было установлено, что введение в состав портландцемента молотого шлака окисленных никелевых руд приводит к снижению нормальной густоты теста. Кривая изменения нормальной густоты цементного теста в зависимости от дозировки молотого шлака приведена на рисунке. Уменьшение нормальной густоты теста, по-видимому, можно объяснить стекловидной структурой шлаков.

Прочностные свойства комплексного вяжущего, состоящего из смеси портландцемента и молотого шлака окисленных никелевых руд изучали на образцах-кубиках размером 20x20x20 мм. За-

Из цементного теста нормальной густоты и молотого гранулированного шлака окисленных никелевых руд были заформованы образцы-кубики. Содержание шлака варьировалось от 0 до 100 %.

По результатам проведенных исследований были получены следующие зависимости набора прочности цементного камня (табл. 3).

Как видно из табл. 3, прирост прочности про

Таблица 3 Кинетика набора прочности образцов с добавлением молотого шлака окисленных никелевых руд

формованые образцы подвергали тепловлажностной обработке по режиму 80С (2+6+12). Дальнейшее твердение образцов происходило в камере нормального твердения.

Содержание молотого шлака в составе вяжущего, %

Изменение нормальной густоты цементного теста в зависимости от содержания молотого шлака

Сроки твердения, сут	Прочность при сжатии, МПа
	Содержание шлака в составе вяжущего, %
	100	80	60	40	20	0
1	1,7	32,6	39,5	57,5	65,7	68,7
3	2,4	30,6	40,0	63,8	51,0	54,3
7	2,5	33,4	42,5	71,4	69,4	90,8
28	3,7	31,8	55,2	77,3	78,9	89,5
800	4,5	44,3	57,7	83,7	85,4	95,5

Серия «Строительство и архитектура», выпуск 7

Строительные материалы, изделия и конструкции

должается в течение двух лет. Для различных дозировок молотого шлака прирост прочности составил до 40 %. Оптимальное содержание шлака в составе вяжущего с позиции получения наибольшей прочности и максимальной экономии цемента находится в интервале 30...40 %.

Механизм гидратации шлаковых стекол заключается в проникновении в стекло отрицательно заряженных гидроксильных ионов, нарушающих электростатическое равновесие системы и приводящих к разрушению шлака [2]. При обычных условиях без активизирующих добавок гидратации препятствует образование на поверхности частичек стекла пленок гидратированного кремнезема. Разрушению этих пленок и обнажению новых поверхностей шлаковых зерен способствует введение в водный раствор щелочных соединений и сульфатов, содержащих ионы Са2+, (ОН)- и (SO2)2-. При щелочной активизации гидратированный кремнезем связывается в гидросиликаты и гидроалюмосиликаты кальция, при сульфатной - сульфат кальция непосредственно взаимодействует с глиноземом, гидратом окиси кальция и водой с образованием гидросульфоалюминатов. Эффект щелочной и сульфатной активизации увеличивается с повышением основности шлаков. При сульфатном возбуждении активность шлаков растет также по мере увеличения их алюминатности. Роль щелочных активизаторов могут выполнять известь, щелочи, сода и другие соли щелочных металлов и слабых кислот, портландцемент, а сульфатных - двуводный или полуводный гипс, ангидрит, сульфат натрия.

В результате проведенных исследований выявлено, что добавление молотого шлака в состав портландцементов, при оптимальных дозировках, не приводит к значительному уменьшению прочности цементного камня по сравнению с бездоба-вочным цементным камнем. Установлены зависимости набора прочности цементного камня при различных дозировках добавки. Проведены долгосрочные испытания в которых показана кинетика набора прочности цементного камня с добавлением молотого шлака в течение длительного периода времени.

Применение молотых шлаков окисленных никелевых руд в качестве активной минеральной добавки приведет к экономии клинкера при производстве вяжущего, сокращению себестоимости производства цемента, а так же сокращению шлаковых отвалов.