ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ КОНВЕРТОРНЫХ ШЛАКОВ Текст научной статьи по специальности «Техника и технологии»

УДК 691.5

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ КОНВЕРТОРНЫХ ШЛАКОВ

СИМОНОВ РОМАН ВИКТОРОВИЧ

Инженер I категории ЦТП "Передовые химические и биотехнологии", Тула, Россия

НИКИШИНА МАРИЯ БОРИСОВНА

Заведующий кафедрой химии Тульского государственного педагогического университета им. Л.Н. Толстого, к.х.н., Тула, Россия

АТРОЩЕНКО ЮРИЙ МИХАЙЛОВИЧ

Директор ЦТП "Передовые химические и биотехнологии", д.х.н., Тула, Россия

Аннотация. В работе представлены результаты исследования влияния добавок различного химического состава на прочностные характеристики строительных композитных материалов, изготовленных с использованием черного конвертерного шлака, отхода металлургического производства. Выбор анализируемых добавок был обусловлен их изоморфностью по химическому строению с составляющими цемента. Изучали прочность на изгиб и сжатие образцов, изготовленных из шлака конвертерного, цемента марки М500 и следующих добавок: сода кальцинированная, кварц, полевой шпат, белый шлак (флюс), гипс белый Г-7, зола-шлак ТЭЦ г. Суворов, сажа ТЭЦ г. Суворов, жидкое стекло, суглинок, клей ПВА строительный, известь-пушонка, белый шлак конвертерный, шлам футеровки печи, полистирол. Для смесей, составленных из цемента и отвального конвертерного шлаковых в соотношении 1:9 (по массе), рост значения прочности на сжатия наблюдался при добавлении молотого белого шлака, сажи ТЭЦ г. Суворов, кварца и полевого шпата, золы-шлака. Увеличение прочностных характеристик образцов при этом составило 50, 37,5, 25 и 15 %, соответственно. Изучение влияния добавок различного химического состав на свойства образцов, изготовленных из цемента и отвального конвертерного шлака в соотношении 1:4 (по массе), не выявило значимых изменений в прочностных свойствах последних, кроме молотого шлака белого. Увеличение прочности при этом составило 6 %. Исследование влияния вышеописанных добавок на прочность образцов из цемента и шлака конвертерного свежего не показало каких-либо значимых результатов.

Ключевые слова: шлак конвертерный, цемент, прочностные характеристики, строительные растворы, модифицирующие добавки.

Введение. Развитие технологий строительной индустрии приводит к поиску новых строительных композитных материалов. Одним из путей решения этой задачи является разработка инновационных составов с применением отходов металлургического производства в качестве вяжущего компонента. В ТГПУ им. Л.Н.Толстого проводятся исследования возможности использования конвертерного шлака при производстве цементных смесей. Работы проводили с использованием отходов металлургического производства АО «Тулачермет» и ООО «ТУЛАЧЕРМЕТ-СТАЛЬ». На первом этапе исследования был установлен фракционный состав образцов шлака конвертерного, проведен химический анализ с целью определения содержания основных оксидов, изучены прочностные характеристики исходного материала (шлака конвертерного) в смеси его с товарным цементом марки М 500 в разных соотношениях. Было установлено, что диаметр частиц шлака усредненной пробы варьируется от 5 до 0,1 мм. Распределение частиц по фракциям довольно равномерное. Изученный химический состав шлака конвертерного показал высокое содержание оксидов кальция (45,44 %), железа (II) (22,33 %) и кремния (18,11 %). Модуль основности изучаемого

ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"

шлака составил 2,34, что относит его к основной категории. Относительно высокое содержание оксида кремния позволяет предположить, что шлак конвертерный может быть использован в качестве наполнителя при производстве цементных смесей. Значительная доля оксида кальция указывает на хорошие вяжущие свойства шлака [1]. Анализ прочностных характеристик шлака конвертерного в смеси его с товарным цементом марки М 500 в разных соотношениях позволил выбрать оптимальное содержание шлака в разрабатываемом композите - 90-80 % [2].

Результаты исследования. Для оптимизации технологии получения шлаксодержащих строительных композитов было проанализировано влияние различных добавок на прочностные свойства разрабатываемых смесей. В качестве добавок использовали химические вещества или смеси, компоненты которых изоморфны по химическому строению с составляющими цемента. Испытуемые образцы готовили из шлака конвертерного, цемента марки М500 и следующих добавок: сода кальцинированная, кварц, полевой шпат, шлак (флюс), гипс белый Г-7, зола-шлак ТЭЦ г. Суворов, сажа ТЭЦ г. Суворов, жидкое стекло, суглинок, клей ПВА строительный, известь-пушонка, белый шлак конвертерный, шлам футеровки печи, полистирол. Содержание сухими добавок в образцах смесей составляло 10 % по массе, жидкого стекла - 5 % по массе, клея ПВА -160 мл. Сухие компоненты смесей предварительно измельчали до фракции < 5 мм. В каждую смесь добавляли 3 мл пластификатора Cem plast. Испытания прочности на изгиб и сжатие образцов смесей шлака, цементом и соответствующей добавки проводили согласно ГОСТу 30744-2001 [3]. Цементный раствор помещали в стандартные трехгнездовые разъемные формы размером 40х40х160 мм для изготовления образцов - балочек. Цементный раствор в формах уплотняли на вибростоле. Через сутки образцы извлекали из формы и оставляли на хранение во влажной камере. Испытания прочности на изгиб и сжатие проводили на 7, 14 и 28 сутки на прессе ИП 1000. Результаты исследования прочностных характеристик шлака конвертерного (отвального и свежего) в смеси его с товарным цементом марки М 500 и соответствующей добавки представлены в таблицах 1-3 и на диаграммах 1 -3.

Таблица 1.

Влияние добавок на прочностные характеристики образцов из смеси шлака черного отвального и цемента в соотношении 9:1.

№ образца Состав смеси, % (масс)* Прочность, МПа

Черный шлак отвальный Цемент М500 Добавки 7 суток 14 суток 28 суток

Изгиб Сжатие Изгиб Сжатие Изгиб Сжатие

1 90 10 Без добавок 0,5 3 0,5 3,5 < 0,5 4

2 Сода кальцинированная (10 %) < 0,5 1 < 0,5 1 < 0,5 1

3 Кварц (10 %) < 0,5 3,25 0,5 4 1 5

4 Полевой шпат (10 %) < 0,5 3,5 0,5 4,6 0,5 5

5 Белый шлак (флюс) (10 %) < 0,5 3 < 0,5 3,5 < 0,5 4,1

6 Гипс белый Г-7 (10 %) < 0,5 0,5 < 0,5 0,5 < 0,5 1

7 Зола-шлак ТЭЦ г. Суворов (10 %) < 0,5 2,5 < 0,5 3,5 < 0,5 4,6

8 Жидкое стекло (5 %) < 0,5 1,6 < 0,5 2,45 < 0,5 3,2

9 Суглинок (10 %) < 0,5 2 < 0,5 2,5 < 0,5 3,5

10 Клей ПВА строительный (160 мл) < 0,5 2 < 0,5 2,5 < 0,5 2,8

11 Известь-пушонка (10 %) < 0,5 3 < 0,5 3,5 < 0,5 3,75

12 Шлак белый конвертерный (10 %) < 0,5 4,5 < 0,5 5,6 1 8

13 Шлам футеровки печи (10 %) < 0,5 1,7 < 0,5 2 < 0,5 2,75

14 Сажа ТЭЦ г. Суворов (10 %) 0,5 2,7 0,5 3,75 0,5 5,5

15 Полистирол (160 мл) < 0,5 2,2 0,5 2,9 0,5 3,75

4,1

4,6

3,2 I 2,8

5,5

3,75

0

1 т О Q.

3

2 -

П1

0 -

/ *

J?

/

«Г

J?

V л? " ср

л* JS"

</V° /

¿г

2,75

SP

J*

„о^

/ с/

Диаграмма 1. Прочностные характеристики испытуемых образцов (соотношение шлака отвального черного и цемента 9:1).

Данные, представленные в таблице 1 и на диаграмме 1, иллюстрируют влияние добавок различного химического состава на прочностные характеристики цементно-шлаковых смесей, составленных в соотношении 1:9 (по массе). Двукратное увеличение прочности на сжатие в наблюдается в образце № 12 с молотым белым шлаком. Положительное влияние на прочностные свойства цементно-шлаковых образцов оказывают также сажа ТЭЦ (рост прочности составил 37, 5 %), кварц и полевой шпат (25 %) и зола-шлак (15 %).

Ряд добавок снижает прочностные характеристики исследуемых образцов. За счет введения соды кальцинированной и гипса прочность на сжатие уменьшилась на 75 %.

Таблица 2.

Влияние добавок на прочностные характеристики образцов из смеси шлака отвального

черного и цемента в соотношении 4:1.

№ образца Состав смеси, % (масс)* Прочность, МПа

Черный шлак отвальный Цемент М500 Добавки 7 суток 14 суток 28 суток

Изгиб Сжатие Изгиб Сжатие Изгиб Сжатие

16 80 20 Без добавок 0,5 8,5 0,5 12,0 0,5 12,5

17 Сода кальцинированная (10 %) 0,5 2,5 0,5 3 0,5 3,5

18 Кварц(10 %) 1 11,5 1 12,45 1,5 11,75

19 Полевой шпат (10 %) 0,5 9,75 0,5 12,25 1,5 9,0

20 Белый шлак (флюс) (10 %) 0,5 9 1 11 1 5,5

21 Гипс белый Г-7 (10 %) < 0,5 2,5 < 0,5 2,7 < 0,5 3,0

22 Зола-шлак ТЭЦ г. Суворов (10 %) 1 10,5 1 12,25 1,5 12,75

8

5

5

4

1

1

23 Жидкое стекло (5 %) 0,5 7,25 0,5 7,75 1 7,25

24 Суглинок (10 %) 1 8,75 1 9,75 1 9,5

25 Клей ПВА строительный (160 мл) 0,5 7,75 0,5 9,35 0,5 8,75

26 Известь-пушонка (10 %) 1 10,6 1 11,45 1 11,75

27 Шлак белый конвертерный (10 %) 1 10,25 1,5 11,5 2 13,5

28 Шлам футеровки печи (10 %) 1 10,5 1,5 10,25 1,5 13

29 Сажа ТЭЦ г. Суворов (10 %) 1 10,25 1,5 11,5 1 12

30 Полистирол (160 мл) 1 10,25 1 10,75 1 11

16 -

14 —12,75

11,75

12,75

13,5

13

11,75

12

11

щ s

Ias

X <j

ra I

и

0

1 т О Q.

12 10 8 6 4 2 0

3,5

Jr У

S с/

5,5

9,5

7,25

8,75

J> .vV'' л? .О* об'

JV /W / У

о/ ^

rfr-

V* ^

d? JT

** J?

у ^

Диаграмма 2.

Прочностные характеристики испытуемых образцов (соотношение шлака отвального черного и цемента 4:1).

Изучение влияния добавок различного химического состав на свойства цементно-шлаковых образцов в соотношении 4:1 (таблица 2 и диаграмма 2) не выявило значимых изменений в прочностных характеристиках последних. Наиболее активное действие оказало только добавление молотого шлака белого. Увеличение прочности при этом составило 6 %.

Таблица 3.

Влияние добавок на прочностные характеристики образцов из смеси шлака свежего черного

и цемента в соотношении 9:1.

9

3

№ образца Состав смеси, % (масс)* Прочность, МПа

Черный шлак свежий Цемент М500 Добавки 7 суток 14 суток 28 суток

Изгиб Сжатие Изгиб Сжатие Изгиб Сжатие

31 90 10 Без добавок < 0,5 5,5 < 0,5 6,5 < 0,5 6,5

32 Сода кальцинированная (10 %) < 0,5 2,2 < 0,5 1,25 < 0,5 1,5

33 Кварц (10 %) < 0,5 1 < 0,5 2 < 0,5 2,5

34 Полевой шпат (10 %) < 0,5 1,5 < 0,5 2 < 0,5 3

35 Белый шлак (флюс) (10 %) < 0,5 1,7 < 0,5 1,5 < 0,5 2

36 Гипс белый Г-7 (10 %) < 0,5 1,2 < 0,5 1 < 0,5 1

37 Зола-шлак ТЭЦ г. Суворов (10 %) < 0,5 1,5 < 0,5 2 < 0,5 3,5

38 Жидкое стекло (5 %) < 0,5 1,7 < 0,5 2 < 0,5 2,5

39 Суглинок (10 %) < 0,5 1,5 < 0,5 2 < 0,5 2,4

40 Клей ПВА строительный (160 мл) < 0,5 1,7 < 0,5 2 < 0,5 2,4

41 Известь-пушонка (10 %) < 0,5 2,0 < 0,5 2 < 0,5 2,8

42 Шлак белый конвертерный (10 %) < 0,5 2,6 < 0,5 3,7 < 0,5 6,25

43 Шлам футеровки печи (10 %) < 0,5 1,7 < 0,5 2,15 < 0,5 2,1

44 Сажа ТЭЦ г. Суворов (10 %) < 0,5 1,5 < 0,5 1,5 < 0,5 2,2

45 Полистирол (160 мл) 0,5 2 0,5 2,05 < 0,5 3,5

6,5

01 5

I 4

и (б I

J3 3

i-

u

0

1 T

О 2 Q.

1,5

2,5

/'S s'/ Z

3,5

2,4 2,5 2,4

6,25

2,8

rO*

jT л4- JV

У </ J

2,1 2,2

3,5

J> Л'

/ J?' f J" /• <* ^ ^ *

P^ ^

У

^ ^ /

^ У ^

Диаграмма 3. Прочностные характеристики испытуемых образцов (соотношение шлака свежего черного и цемента 9:1).

Данные таблицы 3 и диаграммы 3 однозначно указывают об отсутствии какого-либо положительного воздействия используемых добавок на прочность испытуемых образцов цементно-шлаковых смесей в соотношении 1:9. В большинстве случаев введение добавок снижает прочностные характеристики в той или иной степени.

Выводы. Таким образом, обобщая представленные результаты можно сделать следующие выводы: наиболее значимое положительное влияние на прочностные характеристики исходных цементно-шлаковых смесей оказала добавка шлака белого молотого (рост прочности составил 6 %); повышение прочности на сжатие наблюдалось только в образцах с отвальным черным шлаком.

Работа поддержана грантом Правительства Тульской области договор № ДС/128 от 22.07.2022 года.

7

6

5

3

2

1

1

0

ЛИТЕРАТУРА

1. Разработка научно-технических основ технологий переработки отходов металлургического производства и получение на их основе высокотехнологичных продуктов и материалов. Никишина M.B., Симонов Р.В., Атрощенко Ю.М. В сборнике: Проблемы науки. Химия, химическая технология и экология. Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции. Тула, 2022. С. 714-721.

2. Исследование прочностных характеристик строительных композитов с использованием конверторных шлаков. Атрощенко Ю.М., Никишина М.Б., Симонов Р.В. Endless Light in Science. 2022. № 5-5. С. 161-165.

3. Межгосударственный стандарт. ГОСТ 30744-2001. Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка. - Официальное издание. - М., 2002. - 36 с.