CC BY
0
УДК 69.1418
doi: 10.55287/22275398_2023_2_170
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ МЕДНОГО ШЛАКА В КАЧЕСТВЕ ЧАСТИЧНОЙ ЗАМЕНЫ ПЕСКА В СОСТАВЕ БЕТОНА
М.Алипур*
Г. Э. Окольникова * / **
* Российский университет дружбы народов (РУДН), г. Москва
** Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
Аннотация
Медный шлак является металлургическим продуктом, от процесса очистки медной руды, который получают на различных стадиях. Медный шлак широко используется для пескоструя, а также в качестве строительного материала при производстве бетона и материалов для дорожного покрытия. Несмотря на это, огромное количество отработанного медного шлака приводит к проблемам с захоронением отходов. Постоянная свалка медного шлака, создает экологическую проблему на нашей планете Земля. Поэтому отработанный медный шлак может быть использован в качестве альтернативного материала при производстве прочных и устойчивых строительных материалов, помимо применения
для пескоструя, что приводит как к экономической, так и к экологической выгоде. Многие исследования показали, что прочностные характеристики бетона можно улучшить с помощью медного шлака, заменив частично цемент, крупный заполнитель или мелкий заполнитель. В данной статье рассмотрено использование медного шлака при производстве бетона, в качестве частичной замены мелкого заполнителя.
Ключевые слова
отходы, медный шлак, прочность бетона, цемент, песок, металлургические отходы
Дата поступления в редакцию
20.04.2023
Дата принятия к печати
24.04.2023
Введение
В 2018 году рост мировой добычи меди на 3,2 процента в год составил 20,6 миллиона тонн. В 2018 году в Латинской Америке было добыто 8,7 миллиона тонн меди, что составило 42 процента от всего мирового производства. Увеличение доли Азии в мировом производстве, всего с 6 процентов до 17 процентов. Более трети мировой меди было произведено в Чили в 2018 году, в общей сложности 5,8 млн метрических тонн. Прогнозируется, что к 2023 году мощность добычи меди достигнет 28,9 млн тонн. В Росси было произведено в 2022 более 70 тыс. тонн меди и согласно данным аналитиков банка, лидируют города по производстве меди, такие как: Башкирия (5,8 тыс. т), Татарстан (4,4 тыс. т), Алтайский (4,4 тыс. т) и Краснодарский края (3,4 тыс. т), Белгородская (2,7 тыс. т),
Воронежская (1,9 тыс. т). Соответственно смотря на всемирный рост добычи меди, встречается и увлечение объема отходов, от которых нужно избавить, что приведет к улучшение экологии нашей планеты.
Химический состав медного шлака
Состав конкретного шлака зависит от типа печи, металлургического процесса его получения и состава добываемой руды (табл. 1). В целом, процентное содержание основных оксидов медного шлака может варьироваться в следующих пределах: Бе203: 35 - 60%, 8Ю2: 25 - 40%, СаО: 2 - 10%, А1203: 3 - 15%, СиО: 0,3 - 2,1%, Mg0: 0,7 - 3,5%.
Таблица 1
Химический состав СБ из различных областей по массе (%)
Страна Химический состав [4 - 6]
Бе2 ОЗ БЮ2 А12О3 СаО БОЗ СиО
Чили 20.40 38.33 8.17 26.10 2.14 - -
Китай 57.80 29.07 4.02 2.30 2.70 0.32 -
США 44.80 24.70 15.60 10.90 1.70 0.28 2.10
Канада 49.50 34.51 6.55 2.20 1.48 1.20 0.43
Австралия 45.30 36.00 3.45 9.30 3.24 0.49 0.33
Япония 52.00 35.50 5.90 2.11 1.06 0.14 0.88
Испания 60.00 30.07 3.97 0.60 0.75 0.32 0.79
Бразилия 62.00 26.00 - 2.50 3.70 - 1.40
О
Сй
1-
и
.0
с;
ш
1-
О
а
1-
и 5
О
г
м
О
-1
м
Э
Сй
Физические свойства медного шлака
В зависимости от схемы охлаждения медного шлака можно разделить на природный охлаждающий шлак и охлаждающий шлак с водяным охлаждением. Из-за различных процессов охлаждения медный шлак может отличаться по внешнему виду, форме и плотности (рис. 1). Естественно-охлажденный медный шлак - черный, стеклообразный внешний вид, и большая его часть плотная и комковатая, хрупкая, твердая. Истинная плотность медного шлака изменяется в зависимости от содержания железа, обычно от 2800 до 3800 кг/м3.
Рис. 1. Медный шлак: а—до измельчения; б — после измельчения
щ
и
н
и
щ
т
га
¡е
и
га
¡е
га
< ц
со 3
О о
*
X 0 1
.0 и
с; I
о к
*
о I
(и
т I
(и
I
а а
> с
с <и
с; < I К
■ С
£ со
Если говорить о частичной замены кварцевого песка медным шлаком, то обладая низким водопогло-щением медный шлак, совершенно очевидно, что медный шлак будет требовать меньше воды по сравнению с кварцевым песком, в бетонной смеси [1 - 2]. Объемная плотность медного шлака прямо-пропорциональна содержанию Бе203 с коэффициентом корреляции 0,94 [3].
Опыт применения медного шлака в качестве частичной замены мелкого заполнителя
Многие исследователи исследовали использование медного шлака в производстве цемента, раствора и бетона в качестве сырья для клинкера, замены цемента, крупных и мелких заполнителей. Эти медные шлаки в цементе и бетоне обеспечивают потенциальные экологические и экономические выгоды для всех смежных отраслей, в частности, в областях, где производится значительное количество медного шлака, а также несколько исследователей исследовали возможное использование медного шлака в качестве мелких и крупных заполнителей в бетоне и его влияние на различные механические и долгосрочные свойства раствора и бетона.
В технологическом колледже Шри Кришны в 2017 году было анализировано и экспериментировали, и изучали как влияет медный шлак на прочностные характеристики бетона классом В25, если мелкий заполнитель заменить частично медным шлаком в процентах 10, 15, 20% [7]. Испытание проводили для определения прочности на сжатие, изгиба (см. рис. 2).
В возрасте 28 сутки были наблюдены рост прочности на сжатие и образцов с 10, 15, 20% содержание медного шлака, как частичной замены песка и рост составил около 6, 8, 14% [7].
Рост прочности на растяжение было наблюдено, но только с 15% содержание медного шлака в качестве мелкого заполнителя в составе бетонной смеси.
Рис. 1. Испытание образцов на сжатие
В 2018 году так же была проведена работа, по определению влияния медного шлака на свойство шлакобетона в качестве замена песка [8] и решили заменить песок медным шлаком с интервалом 10% до 90% и ниже приведены результаты прочности на сжатие, изгиб и модуль упругости образцов после проведения экспериментов, на 7 и 28 суток (табл. 2, 3, 4 и рис. 3, 4, 5).
Таблица 2
Результаты испытания образцов на сжатие в возрасте 7 и 28 суток
Образцы 7 суток 28 суток
мПа мПа
Контрольный образец 28,22 43,88
10%МШ + 90 % П 28,88 45,66
20%МШ + 80 % П 29,77 46,55
30%МШ + 70 % П 34,00 47,33
40%МШ + 60 % П 33,33 47,44
50%МШ + 50 % П 33,11 47,00
70%МШ + 30 % П 32,44 45,33
90%МШ + 10 % П 28,22 43,55
Рис. 3. Результаты испытания образцов на сжатие в возрасте 7 и 28 суток
Таблица З
Результаты испытания образцов на изгиб в возрасте 7 и 28 суток
Образцы 7 суток 28 суток
мПа мПа
Контрольный образец 7,777 9,669
10%МШ + 90 % П 8,221 9,862
20%МШ + 80 % П 8,511 9,978
Продолжение Таблицы. 3 см. на следующей странице
03
г
м О
-I
м
Э СО
<и и н и (и т га ¡е
и
га ¡е
га ц
3 о
0
1
и I к
I
(и
I
(и |_ 2 , 5
а а
с <и
¡1 < 5
е £
<
со
О *
.й
с;
о *
о т
30%МШ + 70 % П 9,071 10,132
40%МШ + 60 % П 9,592 10,402
50%МШ + 50 % П 9,302 10,209
70%МШ + 30 % П 7,913 9,627
90%МШ + 10 % П 7,758 9,418
Рис. 4. Результаты испытания образцов на изгиб в возрасте 7 и 28 суток
Было установлено (табл. 4), что модуль упругости увеличился в соответствии с увеличением замены природного песка медным шлаком (рис. 5).
Таблица 4
Модуль упругости образцов
Образцы Модуль упругости Процентное изменение в «Модуль упругости»
Контрольный образец 0,331 * 10 5 100
10%МШ + 90 % П 0,337 * 10 5 101,81
20%МШ + 80 % П 0,341 * 10 5 103,02
30%МШ + 70 % П 0,343 * 10 5 103,62
40%МШ + 60 % П 0,344 * 10 5 103,92
50%МШ + 50 % П 0,342 * 10 5 103,32
70%МШ + 30 % П 0,336 * 10 5 101,51
90%МШ + 10 % П 0,324 * 10 5 97,88
Рис. 5. Модули упругости образцов
Прочность бетона оказывается выше при 10-70% замены, чем контролируемого бетона. Это один из экономичных материалов, благодаря которому мы можем сэкономить песок и его использование в бетоне помогает очистить окружающую среду.
В итоги после проведения множество исследований во многих странах можно принять, что медный шлак в качестве замены песка эффективен и может быть использован по следующим причинам:
• Он имеет высокую прочность на сжатие, которая равна прочности мелкого заполнителя с аналогичным диаметром.
• Медный шлак является не разлагаемым веществом; это создает экологические проблемы, поэтому при использовании в качестве замены песка и может минимизировать экологические проблемы [11] .
• Он также доступен в изобилии и по очень низкой стоимости в местах обработки меди.
Заключение
Использование частичных заменителей цемента или пуццоланов набирает популярность по целому ряду причин, включая повышение эксплуатационных характеристик бетона, снижение затрат на использование традиционных компонентов бетона и заботу об окружающей среде.
Производство цемента является одним из самых высоких источников С02. Частичная замена цемента не только приносит пользу окружающей среде, но и положительно влияет на физико-механические свойства бетона, долговечность и водопоглашение.
Библиографический список
1. Patil, M.; Patil, Y.; Veshmawala, G. R. Performance of copper slag as sand replacement in concrete. Int. J. Appl. Eng. Res. 2016, 11, 4349 - 4353.
и z
H Û -I H
D
CÛ
(U
u
H
и
(U
T
ra
¡e
u
ra
¡e
ra
< ц
m 3
о о
*
s X 0 1
л <u
ц, I
о к
* s
о I
(U
m I
(U
L I
s
IL a
> с
С <U
S S
ç < I К s
■ с
S Cû
2. Tixier, R. Microstructural Development and Sulfate Attack Modeling in Blended Cement-Based Materials. Ph. D. Thesis, Arizona State University, Phoenix, AZ, USA, 2000.
3. Yao, C. L.; Liu, Z. N.; Teng, Y.; Fan, X. X.; Zhang, J. L. Comprehensive utilization development and prospect of copper slag. Min. Metall. 2019, 28, 77 - 81.
4. Shi, C.; Meyer, C.; Behnood, A. Utilization of copper slag in cement and concrete. Resour. Conserv. Recycl. 2008, 52, 1115 - 1120.[CrossRef]
5. Arliguie, G.; Grandet, J. Etude de l'hydratation du ciment en presence de zinc influences de la teneur en gypse. Cem. Concr. Res.1990, 20, 346 - 354. [CrossRef]
6. Ahmari, S.; Parameswaran, K.; Zhang, L. Alkali activation of copper mine tailings and low-calcium flash-furnace copper smelter slag. J. Mater. Civ. Eng. 2015, 27, 04014193. [CrossRef]
7. https://www.researchgate.net/publication/333236143_Partial_Replacement_of_Copper_Slag_as_ Fine_AggregateVinita Vishwakarma, D. Ramachandran// Green Concrete mix using solid waste and nano-particles as alternatives// journal homepage: www.elsevier.com/locate/conbuildmat.
8. https://www.researchgate.net/publication/326461351_Effect_of_Copper_Slag_as_a_Sand_ Replacement_on_the_Properties_of_Concrete.
9. MEENAKSHI SUDARVIZHIS, ILANGOVAN.: — INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING Volume 1, No 4, 2011 Performance of Copper slag and ferrous slag as partial replacement of sand in Concrete.
10. D. BRINDHA and S. NAGA: — International Journal of Earth Sciences and Engineering ISSN 0974-5904, Vol. 03, No. 04, August 2010, pp. 579.
11. Данилова Е. А., Братан Ф. И., Хотулева Е. И., Окольникова Г. Э. Основные принципы концепции «зеленого строительства». — Системные технологии. 2020. — № 37. — С. 16 - 19.
IMPACT OF COPPER SLAG APPLICATION AS PARTIAL SAND REPLACEMENT IN CONCRETE
M. Alipour *
G. E. Okolnikova* **
* Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University), Moscow
** Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
Abstract
The Keywords
waste, copper slag, concrete strength, cement, sand, metallurgical waste
Copper slag is a metallurgical product from the process of refining copper ore, which is obtained in various stages. Copper slag is widely used for sandstone, as well as as a building material in the production of concrete and road pavement materials. Despite this, a huge amount of spent copper slag leads to problems with waste disposal. The constant dumping of copper slag creates an ecological problem on our planet earth.
Therefore, spent copper slag can be used as an alternative material in the production of strong and stable building materials, past applications for sandstone, which leads to both economic and environmental benefits. Many studies have shown that it can improve the strength characteristics of concrete by using copper slag, replacing partially cement, coarse aggregate or fine aggregate. This article discusses the use of copper slag in the production of concrete as a partial replacement for fine aggregate.
Date of receipt in edition
20.04.2023
Date of acceptance for printing
24.04.2023
Ссылка для цитирования:
М. Алипур, Г. Э. Окольникова. Влияние применения медного шлака в качестве частичной замены песка в составе бетона. — Системные технологии. — 2023. — № 2 (47). — С. 170 - 177.
и
Z м
О
-I
м
D CD
<и
и
н
и
<и
т
га
¡е
и
га
¡е
га
< ц
со 3
о о
*
S X 0 1
л и
ц, Z
о к
* S
о I
(U
m I
<и
L Z
S
CL а
> с
С <и
S S
с; < I к S
■ с
Z ей
