Состав и свойства композиционного цемента с добавкой золошлаковой смеси ТЭС

При сжигании угля и горючих сланцев на ТЭС России ежегодно образуется около 45 млн т золошлаковых отходов, которые в основном складируются в золоотвалах. В наибольших объемах в нашей стране скопились и продолжают увеличиваться в отвалах золошлаковые отходы энергетической отрасли. Только на металлургических комбинатах Урала и Сибири скопилось в отвалах 450 млн т металлургических шлаков, а в отвалах ТЭС страны накоплено более 1,5 млрдт золошлаков, загрязняющих окружающую среду. Одним из перспективных направлений их утилизации является производство цементов, где, как правило, используют золу-унос в качестве минеральной добавки, а золошлаковую смесь (ЗШС) - алюмосиликатного компонента сырьевой смеси портландцементного клинкера. ГОСТ 31108—2003 допускает использование золы в составе различных типов цемента как в качестве основной минеральной добавки в количестве от 6 до 35 %, так и вспомогательного компонента - до 5% [1]. Ранее нами была показана возможность применения ЗШС Верхнетагильской ГРЭС в составе портландцемента с минеральньной добавкой и использования его при производстве бетонных и железобетонных изделий [2].

Цель данной работы - разработать состав композиционного цемента с использованием в качестве минеральной добавки смесь доменного гранулированного шлака (ДГШ) и отвальной ЗШС ТЭС с физико-механическими свойствами, удовлетворяющими требованиям ГОСТ 31108-2003, для организации производства на ЗАО «Невьянский цементник».

Композиционный цемент - гидравлический вяжущий материал, получаемый совместным помолом портландцементного клинкера, гипсового камня и композиционной добавки, состоящей из двух и более минеральных компонентов. Производство композиционных цементов преследует цели снижения энергозатрат на приготовление вяжущих веществ и утилизацию отходов. Затраты на производство таких цементов и их стоимость ниже стоимости рядового портландцемента. Цемент типа ЦЕМ V/A в качестве композиционной добавки может содержать смесь ДГШ (11-30 %) и золы-унос или пуццолана (11-30 %). ГОСТ 311082003 не допускает использование ЗШС ТЭС в составе композиционного цемента. Однако существующие отечественные цементные заводы не оборудованы узлами приема, дозирования и транспортирования сухой золы, но могут складировать, сушить, дозировать и размалывать отвальную ЗШС с клинкером по существующей технологии помола цемента с добавкой ДГШ.

В исследованиях использовали портландце-ментный клинкер (КН = 0,92, п = 2,07, /?= 1,25) ЗАО «Невьянский цементник», содержащий: 60,8 % C₃S; 14,7 % C₂S; 7,4 % С₃А; 13,9 % C₄AF; 0,29 % СаО_своб- Для регулирования сроков схватывания цементов применяли гипсоангидритовый камень Ергачинского месторождения, а в качестве минеральной добавки - ЗШС Верхнетагильской ГРЭС

Капустин А.Ф., Семериков И.С.

и ДГШ ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» (по ТУ 14-102-184-99) (табл. 1 и 2). По содержанию СаО ЗШС является кислой, содержит частицы топливного шлака в количестве до 30 %, по химическому составу и потере массы при прокаливании удовлетворяет требованиям ГОСТ 31108-2003 к минеральным добавкам для цементов общестроительного назначения. Кроме стекловидной фазы, по данным рентгенофазового анализа, она содержит кварц, магнетит, муллит и кристобалит (см. рисунок).

Цементы готовили в лабораторной шаровой мельнице совместным помолом клинкера, минеральных добавок и гипсового камня, который вводили в количестве 4 % от массы вяжущего (содержание в цементе SO3 2,36—2,52 %) до тонкости помола 5,6—5,9 %. Составы композиционных це-

Состав и свойства композиционного цемента с добавкой золошлаковой смеси ТЭС ментов представлены в табл. 3. Удельную поверхность цементов, тонкость помола, нормальную густоту и сроки схватывания цементного теста, равномерность изменения объема цементного камня определяли по ГОСТ 310-76, прочность при сжатии -на образцах-кубах с размером ребра 20 мм, приготовленных из цементного теста.

Установлено, что с увеличением количества ДГШ от 10,5 до 30 % (состав № 7) продолжительность помола композиционного цемента возрастает на 7 % и, наоборот, при аналогичном содержании ЗШС (состав № 8) время помола цемента уменьшается на 13 %. Удельная поверхность полученных композиционных цементов практически не меняется с изменением количества ДГШ и ЗШС в его составе.

Увеличение в цементе количества компози-

Таблица 1

Химический состав исходных материалов

Материал	А^ПрК; мае. %	Содержание оксидов, мае. %
		S1O2	А12О3	Ге2О3	СаО	MgO	SO3	К2О	Na2O
ДГШ НТМК*	0,60	37,50	13,88	1,52	32,75	7,98	0,88		—
ЗШС ВТГРЭС	6,10	48,80	26,70	5,83	4,80	3,92	0,32	0,98	1,06

* Содержит 4,33 % Т1О2; 0,56 % МпО.

Таблица 2

Гранулометрический состав исходных материалов

№ п/п	Фракции	Золошлаковая смесь			Доменный гранулированный шлак
		Количество, %	Сумм, содержание, %	Материал	Количество, %	Сумм, содержание, %	Материал
1	>5 мм	2,46	32,17	Шлак	1,9	100,00	Шлак
2	2,5-5 мм	2,22			6,3
3	1,25-2,5 мм	2,18			22,1
4	0,63-1,25 мм	5,16			33,7
5	0,315-0,63 мм	4,97			23,5
6	0,16-0,315 мм	15,18			8,4
7	<0,16 мм	67,83	67,83	Зола	6,0

3.35

Строительные материалы, изделия и конструкции

Таблица 3

Состав и физико-механические свойства цементов

Номер состава	Содержание компонентов в цементе, %			м7кг	НГ, %	Сроки схватывания, ч-мин		Предел прочности при сжатии (1:0), МПа, при твердении, через, сут
								нормальное		пропаривание
	клинкер	ЗШС	ДГШ			начало	конец	3	28	1	28
1	80	—	20	274	26,1	3-30	5-40	32,8	66,8	35,9	58,9
2	79	10,5	10,5	325	25,4	3-10	5-20	31,5	59,2	37,0	57,5
3	75	12,5	12,5	321	25,5	2-30	5-10	32,3	52,5	38,4	52,2
4	70	15	15	333	26,2	1-55	6-15	28,8	64,9	45,2	63,2
5	65	17,5	17,5	325	27,0	2-05	6-45	26,6	58,2	39,6	60,5
6	60	20	20	326	28,1	2-55	5-40	28,6	52,5	36,7	55,5
7	60	10	30	356	26,1	1-50	5-50	28,4	51,6	38,8	52,6
8	60	30	10	334	29,3	3-20	6-40	23,6	44,3	35,2	51,1

Рентгенограмма ЗШС ВТГРЭС:

• - кварц; о - муллит; А - кристобалит; * - магнетит

ционной добавки и содержания в ней ЗШС повышает нормальную густоту цементного теста, сокращает начало и несколько удлиняет конец схватывания композиционного цемента по сравнению с портландцементом с добавкой ДГШ. По срокам схватывания и равномерности изменения объема цементного камня все составы композиционного цемента удовлетворяют требованиям стандарта на общестроительные цементы.

Введение композиционной добавки, особенно в количестве 30-40 %, замедляет твердение и снижает прочность при сжатии цементного камня при его хранении в воде. Наилучшие результаты по прочности при твердении в нормальных условиях показал композиционный цемент, содержащий 30 % смешанной добавки (состав № 4). Показано, что после тепловлажностной обработки композиционный цемент, содержащий от 21 до 40 % добавку кроме состава № 8), имеет прочность при сжатии более высокую по сравнению с портландцементом (состав № 1). Наибольшую прочность после пропаривания через 1 и 28 суток показывает цемент, содержащий 30 % композиционной добавки (15 % ЗШС и 15 % ДГШ). Объяснением этому может быть повышенное содержание в цементном камне частично закристаллизованных низкоосновных гидросиликатов кальция типа CSH(B), обнаруженные рентгенофазовым анализом.

Таким образом, подобран оптимальный состав и изучены физико-механические свойства композиционного цемента на основе клинкера ЗАО «Невьянский цементник» с использованием в качестве минеральной добавки золошлаковой смеси с отвала Верхнетагильской ГРЭС, который рекомендуется использовать в первую очередь для производства бетонных и железобетонных изделий, подвергаемых тепловлажностной обработке.