Бетоны на фосфорношлаковом вяжущем

УДК 691.33

Бетоны на фосфорношлаковом вяжущем.

(Западно-Казахстанский аграрно-технический университет им. Жангир хана, г. Уральск)

Научный руководитель – д. т.н., профессор

Важнейшей задачей повышения эффективности капитальных вложений в строительную отрасль, является применение новых видов вяжущих материалов и изделий из них. При этом особое внимание предусматривается уделить широкому использованию попутных продуктов, т. е. отходов промышленности, в частности, шлаков электротермического производства фосфора. Это позволит не только утилизировать накопившиеся отвалы фосфорного шлака, но и вернуть в хозяйственный оборот плодородные земельные угодья, занятые отвалами, на содержание которых затрачиваются огромные денежные средства. Охрана природы и обеспечение комплексного и экономного использования природных ресурсов возведены у нас в ранг государственной политики, что нашло свое отражение в Посланиях Президента Республики Казахстан народу Казахстана. [1].

Электротермофосфорные шлаки применяются в производстве шлакопортландцемента, а также в качестве заполнителей тяжелых и легких бетонов. Однако на наш взгляд более перспективным является применение гранулированного фосфорного шлака в производстве бесклинкерного вяжущего вещества, активированного различными солями. На базе такого вяжущего вещества можно получить бетоны, как автоклавного твердения, так и бетоны, твердеющие при атмосферном давлении. В настоящей работе приводятся данные по получению вяжущего вещества из гранулированного фосфорного шлака, размолотого до удельной поверхности 3500 – 4000 см2/г путем его активации различными солями щелочных и щелочноземельных металлов.

Дальнейшие наши исследования посвящены экспериментальной оценке влияния активаторов шлака на прочностные свойства бетонов при твердении их в условиях пропаривания и автоклавирования.

В качестве активаторов были использованы сульфаты и хлориды щелочных и щелочноземельных металлов Na2SO4, K2SO4, MgSO4, мирабилит, а также хлориды щелочных и щелочноземельных металлов MgCl2, CaCl2, карналит, бишофит природный. Выбор этих солей обоснован их дешевизной доступностью и высокой активационной способностью фосфорного граншлака.

В работе использованы следующие сырьевые материалы: гранулированный электротермофосфорный шлак Новоджамбулского фосфорного завода (НДФЗ), портландцемент М400 Шымкентского цементного завода, речной песок Желаевского карьера. Химический состав некоторых сырьевых материалов приведен в табл.1.

Таблица 1− Химический состав сырьевых материалов

№ пп	Наименование материалов	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	Fe2O3	R2O	SO3	P2O5	F2	Пересчет F2 на CaF2	п. п.п
1	Гранулированный электротермофос-форный шлак	40,7- 42,5	46,5- 48,6	3,0- 3,5	2,0- 2,5	0,7-1,7	0,5-0,6	0,3- 0,5	1,0- 1,3	1,0- 1,2	4,5	0,5
2	Портландцемент	21,3	62,6	1,3	7,8	5,1	0,4	0,5	-	-	-	1,0
3	Песок	72,6	2,5	0,6	15,3	2,0	6,0	следы	-	-	-	1,0

Гранулированный фосфорный шлак представлен в виде крупного песка серого цвета, с пористой структурой. Состоит из стекла псевдоволластонитового состава (80-90%), где в виде включений содержатся тонкодисперсные частички псевдоволластонита, окерманита и куспидина. Использовался шлак, размолотый до удельной поверхности см2/г.

Песок кварцево-полевошпатовый состоит из, %: кварца 70-72, полевого шпата 20-25, амфибола с пироксеном 4-7, слюды (мусковит) – 1. Содержание илистых и глинистых примесей менее 1 %. Модуль крупности песка 1,8-2,2. Средняя насыпная плотность 1,55 кг/л.

Для затворения бетона применялась водопроводная вода.

Испытания проводили на образцах - балочках размерами 4 x 4 x 16 см, из мелкозернистого бетона состава 1:2 (фосфорный шлак: песок) с водошлаковым отношением 0,28. Соли активаторы вводили с водой затворения. Подвижность бетонной смеси характеризовалась осадкой конуса 1 см, время виброуплотнения составляло 45 с. Образцы запаривали при температуре 175оС по режиму 2+8+2 ч (подъем давления + изотермическая выдержка + спуск давления). Автоклавная обработка была принята в связи с тем, что сульфаты щелочных и щелочноземельных металлов не возбуждают вяжущих свойств фосфорного шлака при температуре 90+5оС, то есть бетоны при пропаривании не твердеют при принятых концентрациях активаторов.

Характеристика образцов мелкозернистого бетона на фосфорношлаковом вяжущем, активированном сульфатами щелочных и щелочноземельных металлов приведена в табл. 2.

Таблица 2 − Характеристика армированных образцов мелкозернистого бетона на фосфорношлаковом вяжущем, активированном сульфатами щелочных и щелочноземельных металлов

№ сос-тава	Вид активатора и концентрация % от массы фосфорного шлака	Средняя плотность, кг/м3	Rизг, МПа	Rсж, МПа	pH жидкой фазы	Водопоглощение, % по массе
1	K2SO4 -2,0	2124	7,8	80,0	11,10	5,8
2	Na2SO4 -2,0	2120	7,0	76,0	10,60	6,4
3	MgSO4 -2,0	2096	5,6	58,0	10,58	6,5
4	мирабилит -2,0	2083	5,3	55,0	10,45	6,6
5	Контрольный состав 1:3 (цемент:песок) В/Ц=0,485 нормального твердения	2075	3,2	37,0	12,53	10,8

Из таблицы 2 видно, что при активации молотого гранулированного фосфорного шлака сульфатами щелочных и щелочноземельных металлов можно получить высокопрочные бетоны, превышающие прочность цементных бетонов более чем в два раза. При этом анализ жидкой фазы бетонов показал, что рН бетонов на фосфорношлаковом вяжущем находится на уровне ниже критических значений рН, указанных в работе , где показано, что при рН ниже 11,8 стальная арматура в бетонах нуждается в защите от коррозии [2]. Поскольку исследование защитных свойств бетона по отношению к стальной арматуре не входит в задачу данных исследований, они будут освещены в других работах.

В таблице 3 приведены результаты по определению активности шлакового вяжущего при активации его хлоридами щелочных и щелочноземельных металлов. Разница заключалась лишь в том, что в качестве активаторов твердения применялись MgCl2, бишофит, карналлит и СаCl2, взятые в количестве 1 % для бетонов автоклавного твердения и 2-% для пропаренных бетонов. Количество активаторов указано в процентах от массы шлака. Активаторы вводились в бетонную смесь вместе с водой затворения. Образцы твердели по режиму 2+8+2 ч при температуре 175 и 90+5оС соответственно. Характеристика образцов приведена в табл. 3.

Таблица 3 − Характеристика образцов мелкозернистого бетона на фосфорношлаковом вяжущем, актированном хлоридами щелочноземельных металлов

№ сос-тава	Вид активатора и концентрация % от массы фосфорного шлака	Средняя плотность, кг/м3	Rизг, МПа	Rсж, МПа	pH жидкой фазы	Водопоглощение, % по массе
Бетоны автоклавного твердения
5	MgCl2 − 1	2128	7,8	80,0	9,85	5,8
6	Бишофит – 1	2125	6,3	68,0	9,25	5,9
7	Карналлит – 1	2120	5,8	62,0	10,60	6,1
8	CaCl2 − 1	2095	5,2	58,0	9,75	6,2
Пропаренные бетоны
9	MgCl2 − 2	2160	6,8	72,0	9,60	5,6
10	Бишофит – 2	2123	5,7	63,0	9,40	5,8
11	Карналлит – 2	2098	5,4	60,0	9,55	6,0
12	CaCl2 − 2	2085	4,3	45,0	9,45	6,1
13	Контрольный состав 1:3(цемент : песок) В/Ц=0,485	2075	3,7	42,0	12,53	10,8

Экспериментальные данные, приведенные в таблице 3 показывают, что хлориды щелочных и щелочноземельных металлов являются более эффективными активаторами гранулированного фосфорного шлака, размолотого до удельной поверхности см2/г. Так, например, при введении хлоридов для активации шлака в количестве 1% от массы шлака и твердении бетонов в условиях повышенных температуре и давления пара получаются высокопрочные бетоны с прочностью от 58 до 80 МПа. При этом более эффективными оказались хлорид магния, бишофит и карналлит. Введение этих солей в количестве 2% от массы шлака позволяет получать высокопрочные бетоны даже при пропаривании, т. е. при нормальном давлении и температуре до 95оС [3].

Таким образом, можно с уверенностью говорить о том, что из отходов химической промышленности, в частности, из электротермофосфорных шлаков можно получать высокопрочные бетоны, которые дешевле цементных бетонов и более долговечны, так как в их составе отсутствует свободный гидроксид кальция – наиболее растворимый компонент цементных бетонов.

Литература

1. Паримбетов материалы из минеральных отходов промышленности. – М.: Стройиздат, 1978. – 201 с.

2. Алексеев и защита арматуры в бетоне. 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1968. – 231 с.

3. Вяжущее. / А. с. СССР № 000. Б. И. 1982, № 31 // , ,