автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Стабилизация структуры и свойств мартеновского шлака для повышения эффективности его использования в строительстве

ЭСКОВСКИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УГОМОБИЛЬНО • ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ ЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) -ММИ

О

На правах рукописи

з дай *»

ВОРОНИН Константин Михайлович

№

СТАБИЛИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МАРТЕНОВСКОГО ШЛАКА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Специальность 05.23 05- Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск 1998

Работа выполнена на кафедре строительных материалов и изделий Магнитогорской государственной горно-металлургической академии им. Г И Носова.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент В.И. ШИШКИН

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор В.Е. Каушанский,

Кандидат технических наук, профессор Л.А. Феднер.

Ведущая организация - ЗАО ПКФ «Южуралавтсбан»

Защита состоится «У 1998 года

В «/^ » часов на заседании специализированного совета К 053.30.13 ВАК РФ лри Московском государственном автомобильно-дорожном институте (технический университет) по адресу. 125829 ГСП, г. Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

г

Автореферат разослан « / » Мл^^ХУ 1998 года.

Ученый секретарь специализированного совета /7 ./7 ^ кандидат технических наук ¡У!, Л.П. Бессонова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы Недостаточная изученность свойств мартеновских шлаков привела к накоплению их большого количества в отвалах. Хранение мартеновского шлака в отвалах нарушает экологическое , равновесие, и загрязняет воздушный и водный бассейны металлургических районов. В частности, в отвалах г. Магнитогорска накоплено свыше 100 млн.т. мартеновского шлака.

Наиболее полно мартеновский шлак как. местный материал можно утилизировать при производстве щебня и низкомарочного вяжущего, для дорожного строительства. Однако широкому применению шлака а строительстве, препятствует его неоднородность по структуре, химическому составу и склонность некоторых шлаков к самопроизвольному разрушению (распаду). Известные методы, оценки устойчивости структуры шлака не позволяют быстро оценивать, продолжительность распада. Недостаточно изучен процесс распада шлакового щебня. Поэтому отсутствуют предложения по быстрой стабилизации его структуры и нет способа определения устойчивости к распаду шлака фракции крупностью менее 5 мм. Этим же обусловлены ограничения по использованию мартеновского шлака для получения местного вяжущего материала.

Решение вышеперечисленных задач определяет актуальность настоящей работы. Цель работы

Разработать способ определения продолжительности распада мартеновского шлака и ускоренного метода оценки его пригодности для использования в производстве дорожно-строительных материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- исследовать процессы распада и набухания мартеновского шлака различного зернового состава;

- исследовать вяжущие свойства мартеновского шлака;

- определить области его рационального использования;

Научная новизна работы

- впервые предложена энергетическая модель распада мартеновского шлака под действием внутренних напряжений;

- методом временной прочности рассчитана продолжительность распада мартеновского шлака;

- установлена связь между потерей массы шлакового щебня при распаде и количеством прореагировавшего свободЯбго оксида кальция;

- определена зависимость величины относительного набухания шлака фракции 0-0,14 мм от количества прореагировавшего свободного оксида кальция;

- разработан ускоренный метод оценки устойчивости шлака к распаду по содержанию свободного оксида кальция;

- установлена возможность изготовления вяжущего из шлаков неустойчивой структуры с применением сульфатов амфотерных металлов.

На защиту выносятся:

- метод прогнозирования устойчивости структуры'шлакового щебня к распаду по методу временной прочности;

- способ определения устойчивости к распаду шлака фракции менее 5 мм по величине относительного набухания;

- возможность стабилизации структуры шлака к известковому распаду в вяжущих и повышения гидравлической активности шлаковых минералов при помощи химических добавок.

Практическая ценность и реализация работы:

- предложена ускоренная методика определения устойчивости шлаков к распаду;

- предложено использовать шлаки с неустойчивой структурой для изготовления низкомарочного вяжущего;

- определены области рационального использования шлаков устойчивой структуры.

Результаты исследований использованы при проектировании и строительстве оснований и фундаментов стана 2000 холодного проката Магнитогорского металлургического комбината, строительстве оснований автомобильных дорог в городе Магнитогорске Челябинской области. Апробация работы

Результаты исследований доложены и обсуждены на Всесоюзных республиканских конференциях и семинарах в Челябинске, ЧПИ-1984г., Ленинграде-1984г. На научно-технических конференциях МГМИ-1991-1993гг., Международной конференции "Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Ура-

ла" (Магнитогорск 995г.). Основные положения диссертации опубликованы в 7 публикациях.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из • введения, пяти глав, выводов, приложений и списка использованных источников. Содержит страниц машинописного текста 132, 34 рисунков, 21 таблиц, 7 приложений и списка литературы 126 наименований. Рабочая гипотеза

В качестве рабочей гипотезы принято положение: мартеновский шлак рассматривается как абсолютно хрупкое тело, подверженное "известковому" распаду. Максимальная работа химического взаимодействия свободного оксида кальция с водой (свободная энергия по Гиббсу) полностью расходуется на разрушение шлака, при этом продолжительность распада можно характеризовать временной прочностью по С.Н. Журкову..

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность изучения процессов распада мартеновского шлака с целью его переработки для производства дорожно-строительных материалов и материалов общестроительного назначения.

В первой главе рассмотрен и проанализирован опыт использования сталеплавильных шлаков в строительстве различных стран. Проведенный анализ показал, что мартеновские шлаки с устойчивой структурой могут быть широко использованы для устройства оснований фундаментов зданий и сооружений, производства вяжущего и заполнителей для бетона, в том числе и для дорожного строительства. Шлаки с неустойчивой структурой следует перерабатывать в вяжущее или выдерживать в отвалах до стабилизации их структуры.

Анализ существующих методик показал, что они не отвечают предъявляемым требованиям, так как при их использовании необходимы длительные сроки или специальное оборудование.

В данной главе проанализированы способы стабилизации структуры шлака к распаду. Показано, что мартеновские шлаки устойчивы против силикатного распада, так как используемые при выплавке стали легирующие добавки способствуют стабилизации структуры двухкальциевого. силиката в шлаке. Суль-

фидный распад заканчивается в течение первых нескольких дней или вообще отсутствует, вследствие низкого содержания серы в мартеновских шлаках. Наиболее опасными для строительных работ являются известковый и магнезиальный распады, которые протекают в течение длительного времени и могут вызвать деформации и повреждения конструкций и сооружений. Согласно данным НИИ оснований и подземных сооружений магнезиальный распад в шлаках не наблюдается при магнезиальном модуле меньшем 0,6. Магнезиальный модуль мартеновских шлаков ММК колеблется в пределах 0,45-0,51 и, это обстоятельство свидетельствует об их устойчивость к магнезиальному распаду.

На основании работ С.Н. Журкова, Л.И. Седова, В.Р. Рейгеля, Т. Екобори, В.Н. Морозова, П.А. Ребиндера и др. авторов рассмотрена схема процесса разрушения шлака под действием внутренних напряжений по механизму, аналогичному зарождению и росту трещин в абсолютно хрупком теле. Эти фундаментальные работы заложили научные основы для разработки методики быстрого и надежного определения устойчивости шлака к распаду и этим определены пути успешного использования мартеновского шлака в строительстве.

Во второй главе рассмотрены свойства исследуемых материалов и методы исследования шлаков для применения их в производстве дорожно-строительных материалов.

В работе исследован мартеновский шлак АО "Магнитогорский металлургический комбинат" (АО "ММК") как текущего выхода, так и отвальный. В зависимости от периода плавки и времени слива изменяются структура и состав шлака. По структуре и модулю основности шлаки АО "ММК" можно разделить на четыре типа:

- первый тип с модулем основности 3,1- на 40% состоит из крупных кристаллов СгЭ и твердого раствора свободных оксидов МпО, РеО, МдО на основе периклаза, причем самостоятельно периклаз не выделяется;

- второй тип характеризуется модулем основности 2,5 и равномерно зернистой структурой, состоящей из 45% СгЭ и 33% алюмоферритной фазы;

- третий тип имеет модуль основности 1,9 и порфировидную структуру, состоящую из кристаллов периклаза (10%), мервинита, ферритной, РЮ-фазы и двухкальциевого силиката различной генерации;

- четвертый тип имеет модуль основности 1,1 с равномерно зернистой структурой, состоящей в основном из монтичеллита.

Метод временной прочности, предложенный С.Н.. Журковым и развитый В.П. Морозовым, применительно к распаду мартеновского шлака основан на определении величины снижения прочности куска во времени под действием внутренних напряжений, вызываемых физико-химическими процессами, протекающими при распаде. Мартеновские шлаки ММК подвержены преимущественно известковому распаду, следовательно, напряжения, возникающие в.куске шлака при распаде, обусловлены энергией, выделяющейся, при гидратации свободного оксида кальция.

В качестве критерия устойчивости структуры шлака к распаду, использовали долговечность материала, за минимальное значение которой условно принято 100 лет. Она определяется из формулы С.Н. Журкова:

т=т0ехр(и0-уст)/т", (1)

где т0 - период тепловых колебаний атомов 10"13 с; 11о- энергия межатомных связей атомов, Дж/мольК; у - коэффициент локальных перенапряжений; с - нагрузка, МПа;

Я-универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/мольК; Т- абсолютная температура, К. Энергию межатомных связей определяли по методу В. П. Морозова по формуле: и0=1ДН0293*У|/П|, . (2)

где Н° гэз - энтальпия образования минерала, Дж/моль; п- число атомов в молекуле ¡-го компонента; \/|'-доля ¡-го минерала в данном поликристаллическом агрегате.

Коэффициент локальных перенапряжений определяли расчетом из серии испытаний образцов шлака, при фиксированной нагрузке из выражения (1):

у=(ио-ЯТт/т0)/ст, (3)

С учетом минимальной долговечности, находили величину критического напряжения, вызывающего разрушение шлака. Предельное содержание свободного оксида кальция вычисляли по выражению:

СТ=£Л6°293^ , (4) где АСгэз - суммарная энергия Гиббса, Дж; Д\/ - приращение объема СаО при гидратации 2,08.

Достоверность данного способа оценки устойчивости структуры шлака к распаду проверяли по ускоренной методике МГМИ которая заключается в трехкратной автоклавной обработке пробы шлака при давлении 0,3 МПа по режиму 0,5+2+0,3 ч с определением потери массы после каждого цикла и ГОСТ 3344-83.

Оценка устойчивости шлака фракции менее 5 мм по предлагаемому способу производится ло степени изменения его объема при гидратации и последующей карбонизации свободного оксида кальция. При использовании шлаков в качестве щебня в уплотненном состоянии гидратация и карбонизация сопровождаются увеличением объема (набуханием) всего шлакового массива. Таким образом, устойчивость структуры шлака фракции 0-5 мм к известковому распаду можно оценивать по величине относительного набухания, которая рассчитывается по выражению:

80г=5/11, (5)

где 5 - величина набухания, мм;

И - толщина слоя материала, мм;

При величине относительного набухания менее 0,05 шлак считается не набухающим по данным НИИ оснований и подземных сооружений. Следовательно, шлак с такой величиной относительного набухания является устойчивым к известковому распаду.

В третьей главе описаны результаты теоретического и экспериментального исследования процесса распада шлакового щебня в зависимости от его структуры, химического состава и возраста.

При расчете продолжительности распада шлакового щебня был использован ряд допущений:

- включение свободного оксида кальция находится в центре куска шлака, содержание его и скорость диффузии воды к включению свободного оксида кальция для всех кусков шлака одинакова;

- процесс распада рассматривается как протекающий бесконечно медленно через непрерывный ряд равновесных состояний, то есть как квазистатический процесс, тогда для него максимальная полезная работа равна свободной энергии по Гиббсу при гидратации свободного оксида кальция;

- разрушение шлака при распаде аналогично разрушению абсолютно хрупкого тела. При этом можно считать, что вся свободная энергия по Гиббсу, выделяю-

щаяся при гидратации свободного оксида кальция, расходуется на разрушение шлака.

С учетом перечисленных допущений были определены предельные содержания свободного оксида кальция для разрушения шлаков различного типа:

- для шлака первого типа (Мо=3,1) предельное содержание свободного оксида кальция 3,2%;

- второго типа (Мо=2,5) предельное содержание СаОсв=3%;

- третьего типа (Мо=1,9), Са0св=1,20%;

- четвертый тип (Мо=1,1), Са0св=0,25%;

В связи с тем, что шлак третьего и четвертого типов не содержат свободного оксида кальция следовательно они являются устойчивыми к распаду. Таким образом, при содержании свободного оксида кальция менее трех процентов шлак является устойчивым к известковому распаду. Склонность мартеновского шлака к распаду обусловлена его химическим составом. Из диаграммы состояния СаО-БЮг-АЬОз при содержании МдО=Ю% следует, что шлак с модулем основности 2,5-3,1 при кристаллизации может выделить до 14,7% свободного оксида кальция, который при дальнейшей гидратации вызовет разрушение шлакового зерна. Шлак с модулем основности 1,1-1,9 при кристаллизации не выделяет свободного оксида кальция, следовательно, он является устойчивым к известковому распаду, для него определена долговечность, которая составляет соответственно 2,5*1029 и 2,8*101а лет.

При максимально возможном содержании СаОсв=14,7% размер условного известкового включения достигает 17,5мм и при скорости гидратации 2мкм/ч расчетное время стабилизации структуры шлака к известковому распаду составляет 1 год при хранении его в воде. Испытаниями установлено, что стабилизация шлака, хранившегося в воде, к известковому распаду достигается по истечение десяти месяцев при содержании свободного оксида кальция -7%, а стабилизация этого же шлака на воздухе наступает по истечение 90 месяцев. Исходя из этих данных, один год распада шлака в воде соответствует девяти годам распада на воздухе. По истечение девяти лет хранения шлак, находившейся в верхних слоях отвала пригоден к использованию. Шлак же находящийся на глубине более семи метров сохраняет склонность к известковому распаду, т.к. при распаде вышележащих слоев шлака происходит уплотнение отвала продуктами распада, что препятствует доступу атмосферной влаги к шлаку.

Экспериментально определены потери "массы шлака при обработке его в автоклаве по ускоренной методике и при стандартном испытании. Эти величины находятся в линейной зависимости от количества прореагировавшего свободного оксида кальция (рис.1) '' ''"'•'"' "• г -

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 А -4,5 5 5,5 6 6,5 7 Содержание раОсв, % —л—Отвальный 10-15 лет -о—Текущего выхода

Рис.1 Потери массы шлака от содержания свободного оксида кальция Согласно рис. 1 потери массы для шлаков с содержанием СаОсв=3% составляют 7,8%, что превышает величину, нормируемую стандартом. Однако результаты ранее проведенных исследований МГМИ и Магнитогорским Гипроме-зом, а также опыт эксплуатации кислородно-конверторного цеха ММК, построенного на шлаковых отвалах позволили установить, что шлак с потерей массы до 8% не вызывает критических напряжений и пригоден к использованию в строительстве, что согласуется с установленным предельным содержанием . свободного оксида кальцич-3%. : г , , Исследованы процесса набухания различных фракций мартеновского шлага, как текущего выхода, ,так и отвального. Установлено, что величина набухания шлака определяется набуханием фракции 0-0,14мм. Это связано с. повышенным содержанием, в,ней свободного оксида кальция, накапливающегося в .результате разрушения щебня. Шлаки фракций 5-10, 10-20, 20-40 мм не подвержены набуханию,. что объясняется малым содержанием в них свободного.оксида, кальция и повышенной межэерновдй пустотностью, которая заполняется продуктами распада. В шлаках непрерывного гранулометрического состава на величину, относительного набухания существенное влияние оказывает количество фракции 00,14мм. Величина относительного набухания этой.фракции в 3,8 раза, превышает

величину относительного набухания шлака фракции 0-5мм (величина относительного набухания шлака фракции 0-0,14 и 0-5мм соответственно 0,2, 0,053). Изучение процесса набухания шлака показало, что увеличение объема вызвано не только гидратацией свободного оксида кальция, но и последующей карбонизацией. Величина относительного набухания шлака линейно зависит от содержания свободного оксида'кальция рис.2. Исходя из установленной зависимости получено выражение, по которому можно рассчитать величину относительного набухания шлака фракции 0-0,14мм:

S=(aVcaob+V„„+c)/(Vcao+V1,H), (6)

где а - константа изменения объема СаО при гидратации, 2,08; Ь- константа изменения объема при карбонизации Са( ОН)-1,4;

Veo- объем СаО в материале;

\/ин- объем инертной составляющей материала;

С- константа набухания материала при Са0=0.

0,25

® 0,2 х я

X

£

S °.15 01 о

S

J3

| 0,1 U

о

г° 0,05

0

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 1 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 S 8,5 9 9,5 Количество прореагировавшего СаОсв, %

-Ж-Расчетнов "^Отвальный -»-Текущего выхода

Рис. 2 Набухание мартеновского шлака фракции 0-0,14 мм в зависимости от количества прореагировавшего СаОсв . ,

В связи с тем, что шлаки используются а обратных засыпках и основаниях промышленных зданий, где по технологии предусмотрено применение техноло-

гических жидкостей и возможны их аварийные проливы, в работе было изучено влияние наиболее часто встречаемых агрессивных жидкостей на набухание.

Установлено, что в результате воздействия на шлак любого вида кислот, последний теряет способность к набуханию из-за полного химического связывания свободного оксида кальция. Кроме того серная и соляная способствуют повышению гидравлической активности шлаковых минералов, гидратация которых приводит к омоноличиванию шлака.

Попадание щелочей в мартеновские шлаки опасно, так как они способствуют увеличению набухания из-за карбонизации щелочи и могут вызвать деформацию конструкций

В четвертой главе изложен принцип подбора химических добавок, повышающих гидравлическую активность шлака и одновременно стабилизирующих его структуру к известковому распаду.

Добавка, вводимая в шлак, должна быть легко растворимой и связывать свободный оксид кальция, содержащийся в шлаке. Необходимо, чтобы продукты взаимодействия добавки и свободного оксида кальция принимали участие в процессе структурообразования. Таким требованиям наиболее полно отвечают хорошо растворимые соли амфотерных металлов и особенно алюминия. Поэтому к исследованию были приняты добавки сульфата алюминия, сульфата железа и нейтрализованного травильного раствора.

При затворении молотого шлака раствором сульфата алюминия на первом этапе происходит образование гипса и гидроксида алюминия по схеме: СаО+А12(8(Х|)з + Н20 - СаБО *2Н20+ А1(ОН)3 Гидроксид алюминия реагирует с оставшемся оксидом кальция с образованием гидроапюмината кальция, который затем в присутствии гипса образует высокосульфатную форму гидросульфоалюмината кальция (эттрингит). В нейтральной среде (иногда слабокислой) СгБ гидратируется быстрее, а кристаллы выступают в роли минерального клея для зерен шлака и эттрингита.

При затворении шлака раствором сульфата железа на начальном этапе происходит химическое связывание свободного оксида кальция с образованием гипса и гидроксида железа, выпадающего в щелочной среде в осадок. Гипс и слабокислая среда способствуют гидратации двухкальциевого силиката, гидросиликаты как и в случае с сульфатом алюминия, склеивают зерна шлака. При длительном хранении происходит окисление гидроксида железа, о чем свиде-

тельствует изменение цвета искусственного камня от белого до черного. Окисление гидроксида железа сопровождается незначительным увеличением объема, что приводит к уплотнению структуры камня и к повышению его прочности. Однако, прочность шлакового камня незначительна, поэтому применять сульфат железа в качестве активизатора твердения нецелесообразно,

Отработанные травильные растворы содержат в своем составе гипс, сульфат железа и незначительное количество сульфата алюминия. При затворении шлака этим раствором происходят процессы аналогичные вышеописанным. В связи с тем, что отработанные травильные растворы содержат небольшое количество сульфата алюминия, они также как и сульфат железа не обеспечивают требуемых свойств вяжущего и применять их в качестве активизатора твердения шлака нецелесообразно.

Исходя из вышеизложенного, можно заключить, что наиболее эффективны активизаторы с высоким содержанием сульфата алюминия и низким содержанием сульфата железа.

Расход добавки можно рассчитать по уравнению:

Д=к*СаО, (7)

где к - коэффициент связывания СаО добавкой;

СаО - содержание СаОсв в шлаке, %.

Коэффициент "к" определяется, исходя из стехиометрических коэффициентов химической реакции взаимодействия свободного оксида кальция с добавкой, в случае использования сульфата алюминия к=1,43.

В пятой главе рассмотрены пути практического использования мартеновского шлака.

Отвальные мартеновские шлаки рекомендуется классифицировать с магнитной сепарацией, После классификации зерна шлака крупнее 70мм подвергают дополнительному дроблению. Шлаки фракции менее 70мм после определения их устойчивости к распаду разделяют на два потока:

- устойчивые шлаки используют в качестве щебня для устройства оснований и обратных засыпок фундаментов зданий и сооружений, щебеночных оснований, приготовления бетонов и асфальтобетонов.

- неустойчивые шлаки и шлаки текущего выхода подвергают дроблению с магнитной сепарацией и тонкому помолу совместно с добавками, стабилизи-

рующими структуру шлака к распаду и повышающими их гидравлическую активность, например, сульфатом алюминия, и получают местное вяжущее нормального твердения. Полученное вяжущее используют при изготовлении стеновых камней, кладочных растворов, закладочных смесей для заполнения, горных выработок и для укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог.

Рис.3 Схема переработки мартеновского шлака в строительные материалы

Физико-механические свойства оснований и обратных засыпок из мартеновского шлака устойчивой структуры приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Сравнительные свойства мартеновского шлака и песчано-гравийной смеси как материала для оснований и обратных засыпок

Вид материала

Свойства Песчано-гравийная смесь Мартеновский шлак

Расчетное сопративление, кПа 400 1000' '

Угол внутреннего трения грунта, град. 38-40 45-50 "

Нормативное удельное сцепление, кПа 1 80

Модуль деформации, МПа 30-40 50-60

Как следует из табл.1., полученные основания и обратные засыпки не уступают по своим свойствам таковым из песчано-гравийной смеси. Экономический эффект от использования мартеновских шлаков для этих целей составляет 126 руб/м3.

Установлено, что мартеновский шлак для устройства щебеночных оснований имеет следующие свойства: марка по дробимости - 1000, марка по морозостойкости -100-150 и марка по истираемости И-И.

Указанные свойства позволяют заменить на мартеновский шлак используемый в настоящее время в г. Магнитогорске природный порфиритовый щебень с экономическим эффектом 3908 руб./м3.

На основе мартеновского шлака устойчивой структуры разработан состав тяжелого бетона класса В12.5 из бетонной смеси марки по удобоукладываемо-сти

П-1 для устройства оснований автомобильных дорог, который предлагается взамен применяемому бетону на природных заполнителях. При этом расход материалов на 1 м3 бетона составил:

-на природных заполнителях: цемент ШПЦ 300-270кг, вода-190 кг, щебень 0тах=40 -1120кг, песок речной Мк=3,25-804кг

-на шлаковых заполнителях: цемент ШПЦ 300 - 268кг, вода - 190кг, щебень 0тах=40 - 1347кг, песок шлаковый Мк=3,25 - 707кг. Физико-механические свойства которого приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Физико-механические свойства бетонов

Условия твердения бетона Средняя плотность бетона, кг/м3. Предел прочности при сжатии, МПа

Применя емого Предлагаем ого Примен яемого Предлагаем ого

ТВО по режиму 3+6+21=95°С 2440 2520 14,2 19

ТВО+27суг. Нормального хранения 2440 2517 16,0 21,7

28сут. Нормального хранения 2450 2525 15,2 .20,4

Как следует из табл.2., бетон на шлаковых заполнителях имеет большую

прочность чем на природных, что вызвано повышенной адгезией продуктов гидратации цемента к шлаку.

Состав крупнозернистого горячего асфальтобетона класса Б и марки II на шлаковых и природных материалах приведены в табл.3.

Таблица 3.

Расход материалов на 1т (%) асфальтобетонной смеси

Асфальтобетон на материалах Расход материалов, % от массы

Минеральный порошок Песок Щебень Битум БНД 60/90

Мартеновский шлак 16,5 40,3 43,2 7,0

Природные 16,5 45,9 37,6 6,8

Физико-механические свойства полученных асфальтобетонов приведены в

табл. 4.

Таблица 4.

Физико-механические свойства горячего асфальтобетона на битуме БНД

60/90

Асфальт обетон на материалах Набух ание, % по объем У Остаго чная порист ость, Предел прочности при сжатии, МПа, при температуре, °С Коэффициент водостойкост и при длительном во донасыщении Коэфф ициент водост ой кости Водона сыщен ие, %

% 0 20 50

Шлаковы е 0,48 3,25 12,5 4,2 1,9 0,82 0,86 1,62

Природн ые 0,45 3,02 12,0 4,0 2,1 0,81 0,88 1,81

Как видно из табл. 4. асфальтобетон полученный на шлаковых материалах, по своим физико-механическим свойствам не уступает асфальтобетону на природных каменных заполнителях. При этом экономический эффект достигает 8,37тыс. руб./т асфальтобетона на шлаковых материалах;

Неустойчивые и шлаки текущего выхода для получения вяжущего подвергают тонкому помолу совместно с сульфатом алюминия, стабилизирующим структуру шлака к распаду и повышающим их гидравлическую активность. Полученное при этом вяжущее характеризуется следующими свойствами: нормальная густота - 22%, тонкость помола -остаток на сиге 008 - 12% (5уД=300мг/кг) сроки схватывания: начало - 45 мин; конец - 7-00 ч., активность -10 МПа.

Наиболее шлакоемкое направление использования этого вяжущего - укрепление щебеночных оснований и фунтов при строительстве автомобильных дорог; приготовление закладочных смесей для заполнения горных выработок.

Физико-механические свойства шлакоминеральных смесей приведены в табп.5.

Таблица 5

Физико-механические свойства шлакоминеральных смесей

Смеси Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов, МПа в возрасте, сут Предел прочности при расколе, МПа в возрасте, сут. Предел прочности при сжатии после 25 циклов замораживания-оттаивания в возрасте 28сут,МПа

7 28 60 28 60

Щебеноч ные, шлак гра-нулирова нный 20% + известь 2% 0,1 0,2-0,3 0,5-0,6 0,1 1,0 0,6

Щебеноч ныв, шлаковое вяжущее 35% 0,1 0,3-0,4 0,7-0,9 0,2 1,2 0,7

Как следует из табл.5., щебеночные основания, укрепленные вяжущим, разработанным в данной работе, имеют более высокие прочностные показатели, чем основания, укрепленные известково-шлаковым вяжущим.

Для приготовления закладочных смесей с поэтажной системой отработки при глубине залегания рудного тела 300-500м и высоте выработки до 60м необходима прочность при сжатии 1,2-6,5 МПа. Кинетика набора прочности закладочных смесей приведена в табл. 6.

Таблица 6.

Кинетика роста прочности закладочных смесей

^-■Сослав.закладочной . .■ - - смеси- Расход материалов, кг/м1 Предел прочности при сжатии, МПа в возрасте, сут.

28 60 90

Вяжущее: мартеновский шпак-70% . . Портланлцемент-30% Песок ■ 280 120 ~ 1200 1.9 . 4,2 6,3

Предлагаемое щяжущее;, Шлак-92%, А12 (804)з-8% Песок 400 1200 1,73 4,6 6,7

Из табл. 6. видно, что закладочные смеси на предлагаемом вяжущем по физико-механическим свойствам не уступают смесям на основе шлакоцементного вяжущего. ■■.■.'■■■■■.■■,

' Производство данного, вяжущего связано с более полной утилизацией шлака, что приведет-' к снижению уровня загрязнения окружающей среды и получению допрпнительн'огч металла из шлака (до 150 кг на каждую тонну шлака).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что мартеновские шлаки АО ММК подвержены преимущественно известковому распаду, наиболее опасному при производстве строительных работ вследствие его длительности. Устойчивость шлака к распаду определяется его гранулометрическим составом и содержанием свободного оксида кальция.

2. Разработана энергетическая модель распада мартеновского шлака под действием внутренних напряжений, возникающих вследствие гидратации свободного оксида кальция.

3. Методом временной прочности определена продолжительность распада мартеновского шлака и ^разработана методика прогнозирования устойчивости структуры шлака к распаду в зависимости от содержания в нем свободного оксида кальция. • ■....■,•

4. Шлаки крупностью более 5 мм с содержанием свободного оксида кальция менее 3% являются устойчивыми к известковому распаду, а расчетная стабилизация структуры шлака текущего выхода с содержанием свободного оксида кальция до 14% достигается в течение одного года при хранении его в воде и десяти лет при хранении его на воздухе.

5. Разработана методика оценки устойчивости структуры мартеновского шлака крупностью менее 5 мм к известковому распаду по величине относительного набухания фракции 0-0,14мм, т.к. величина ее относительного набухания в 3,8 раза превышает величину относительного набухания фракции 0-5мм. Величина набухания определяется содержанием СаОсв в шлаке фракции 0-0,14 мм. При содержании СаОсе в шлаке менее 1%, последний является устойчивым к известковому распаду.

6. Установлено, что обработка шлака растворами кислот стабилизирует его структуру к известковому распаду, а обработка щелочами способствуют усилению распада из-за их карбонизации.

7. Шлаки с неустойчивой структурой рекомендуется подвергать тонкому помолу совместно с добавками акгивизаторами твердения и использовать как местное вяжущее.

При активизации шлака раствором сульфата алюминия получено низкомарочное вяжущее марки 100, которое может быть использовано для укрепления щебеночных оснований и грунтов автомобильных дорог, приготовления кладочных растворов и закладочных смесей для заполнения горных выработок.

8. Мартеновские шлаки с устойчивой структурой рекомендуется использовать в качестве крупного и мелкого заполнителя при устройстве обратных засыпок и оснований зданий и автомобильных дорог, цементобетона и асфальтобетона при строительстве автомобильных дорог. Общий экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 868,56 тыс.руб.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Использование отвального мартеновского шлака в основаниях фундаментов при реконструкции ММК/ Шишкин В.И., Воронин K.M.// Тез. докл . конферен-

ции "Научно-технический прогресс в строительстве ".- Свердловск, 1938,- С. 4144.

2.Шишкин В.И., Воронин K.M. Оценка устойчивости структуры щебня из „мартеновского шлака. - В сб. "Ресурсосбережение., при производстве строительных материалов и изделий". Межвузовский сборник МГМИ Магнитогорск, .1991.-С.9-12.

3. Воронин K.M. Физико-химические предпосылки производства кирпича из мартеновского шлака. В сб. "Ресурсосбережение при производстве, .строительных материалов и изделий". Межвузовский сборник МГМИ Магнитогорск, 1993.-С

4. Использование мартеновских шлаков и зол ТЭЦ для производства строительных материалов./ Шишкин В.П., Воронин K.M., Глазатова Н.Б., Сергачева Т.В.//Тез. док. Междун. конфер. "Развитие сырьевой базы промышленных предприятий Урала."- Магнитогорск, 1995.-С.43-44

5. Воронин К.М Заполнители из металлургических шлаков для городских дорог. - В сб. "Городское и коммунальное хозяйство ". Межвузовский сборник МГМИ Магнитогорск, 19S6.-C.21-23

6. Шишкин В.И., Воронин K.M. Вяжущие из сталеплавильных шлэ-ков.//Современные проблемы строительного материаловедения: Сб. докл. Меж-дунар. конф. Часть 1. -Пенза , 1998. -с.202-204.

7. Шишкин В.И., Белых В.Т., Воронин K.M. Комплексная переработка мартеновских шлаков в строительные материалы. //Экологические проблемы промышленных зон Урала: Тез. докл. Междунар. науч. тех. конф. - Магнитогорск, МГМА, 1997.-с. 49.

35-37,