«Н.А. Ерошкина, М.О. Коровкин РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНО-ЩЕЛОЧНЫХ И ГЕОПОЛИМЕРНЫХ ВЯЖУЩИХ Рекомендовано Редсоветом университета в качестве учебного пособия для ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

_

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Пензенский государственный университет

архитектуры и строительства»

(ПГУАС)

Н.А. Ерошкина, М.О. Коровкин

РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ

ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНО-ЩЕЛОЧНЫХ

И ГЕОПОЛИМЕРНЫХ ВЯЖУЩИХ

Рекомендовано Редсоветом университета в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению 270800 «Строительство» (магистратура) Пенза УДК 691.544 (075.8) ББК 38.3 я Е Учебное пособие подготовлено в рамках реализации проекта «ПГУАС – региональный центр повышения качества подготовки высококвалифицированных кадров строительной отрасли»

(конкурс Министерства образования и науки Российской Федерации – «Кадры для регионов») Рецензенты: директор OOO «Строительные материалы» (г. Пенза), кандидат технических наук, доцент А.С. Мишин;

кандидат технических наук, доцент кафедры «Управление качеством и технология строительного производства», декан технологического факультета Пензенского ГУАС Р.В. Тарасов Ерошкина Н.А.

Е78 Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов на основе минерально-щелочных и геополимерных вяжущих:

учеб. пособие / Н.А. Ерошкина, М.О. Коровкин. – Пенза: ПГУАС, 2013. – 156 с.

Изложены научно-методические основы разработки и использования технологии минерально-щелочных и геополимерных вяжущих, которые являются новой разновидностью вяжущих щелочной активации. Рассмотрены различные аспекты разработки энерго- и ресурсосберегающих технологий строительных материалов на основе этих вяжущих.

Целью учебного пособия является развитие у студентов способностей использовать углубленные теоретические и практические знания, которые находятся на передовом рубеже технологии строительных материалов. Кроме того, данное учебное пособие направлено на формирование у студентов способностей самостоятельно приобретать новые знания и умения в области своей деятельности, а также смежных с ней областях с помощью информационных технологий и использовать их в практической деятельности.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Технологии строительных материалов и деревообработки» и предназначено для студентов, обучающихся по направлению 270800 «Строительство» (магистратура).

© Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, © Ерошкина Н.А., Коровкин М.О.,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Создание предприятий, производящих строительные материалы, изделия и конструкции по энерго- и ресурсосберегающим технологиям, – ключевая задача модернизации строительной отрасли. С учетом того что строительная индустрия является одной из наиболее ресурсоемких отраслей, разработка технологий, позволяющих использовать промышленные отходы в качестве сырья для производства строительных материалов, – одна из наиболее важных задач развития инновационной экономики.

Большая часть современных технологий была создана в тот период формирования промышленности, когда человечество не испытывало острого дефицита природных ресурсов, а главной проблемой было наращивание объема производства. В истории развития промышленности можно найти много примеров, когда интенсивный рост производства наносил катастрофический вред не только природе, но и человеку, так как разрушал среду его обитания, отравляя воздух и воду.

Создание новых ресурсосберегающих технологий – сложная задача, для решения которой требуются значительные интеллектуальные и финансовые затраты. Наибольших успехов на этом пути добились промышленно развитые страны. Это связано со значительным научнотехническим потенциалом, имеющимся в этих государствах, истощением природных сырьевых ресурсов, колоссальными объемами различных отходов, а также тщательно продуманной государственной политикой в этой области. Для многих государств Западной Европы развитие ресурсосберегающих технологий является одной из приоритетных задач.

Наша страна пока отстает в области разработки и использования энерго- и ресурсосберегающих технологий. Это обусловлено многими причинами, и в первую очередь наличием достаточных запасов природных минерально-сырьевых ресурсов, что делает переработку отходов и производство на их основе строительных материалов не всегда рентабельным, а также общим снижением научно-технического потенциала российской экономики. Не многие предприятия могут вкладывать средства в проведение дорогостоящих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание ресурсосберегающих технологий, особенно с учетом того, что не всегда эти работы заканчиваются успехом.

В настоящем учебном пособии рассмотрены научно-технические основы разработки энерго- и ресурсосберегающих технологий строительных материалов с использованием новой разновидности безобжиговых вяжущих – минерально-щелочных и геополимерных. Анализ динамики роста числа публикаций, посвященных созданию и опыту практического использования строительных материалов на основе этих вяжущих, позволяет сделать вывод о том, что это направление является в настоящее время наиболее перспективным для развития ресурсосберегающих технологий в строительной индустрии.

Задачи, решаемые при разработке новых и совершенствовании существующих технологий, сложны и разнообразны. Они включают в себя проведение исследовательских работ, разработку проектной и технологической документации, технических условий и стандартов на продукцию, подготовку последней к сертификации. Несомненно, что на практике, в условиях узкой специализации, ни один специалист не будет решать все эти задачи, однако иметь представление о всех этапах разработки новых технологий будет полезно будущим специалистам.

С учетом того, что в научно-технической и публицистической литературе трактовка некоторых терминов может быть различной, в состав учебного пособия включен глоссарий, в котором дается толкование терминов в соответствии с федеральным законом ФЗ-161 и государственными стандартами.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся в магистратуре по направлению 270800.68 «Строительство». Авторы надеются, что книга будет полезна научным работникам и специалистам предприятий строительной индустрии, разрабатывающим и внедряющим ресурсосберегающие технологии на основе промышленных отходов.

ВВЕДЕНИЕ

Современный уровень развития цивилизации основан на промышленном производстве, которое использует колоссальные объемы минерально-сырьевых и энергетических ресурсов нашей планеты. Масштабы воздействия хозяйственной деятельности человека на окружающую среду сопоставимы с геологическими процессами.

В мире добывается более 100 млрд тонн сырья в год, из которых менее десятой части используется в качестве полезного продукта, а остальное накапливается в виде отходов на свалках, хранилищах, захоронениях, полигонах.

Изменения в природной среде, которые особенно заметны в городах, местах добычи полезных ископаемых и около крупных предприятий, а также вдоль транспортных путей, значительно ухудшили качество среды обитания человека. Этот фактор, а также исчерпание традиционных источников сырья и накопление отходов ставят под сомнение дальнейшее развитие нашей цивилизации.

Определенную надежду на изменение к лучшему дает сформированная в промышленно развитых странах концепция жизнеподдерживающего развития (sustainable development), которая ориентирует развитие нашей цивилизации без угрозы для обеспечения потребностей будущих поколений. Это возможно при максимальном использовании возобновляемых ресурсов, а также рециклинге промышленных и бытовых отход. Распространение этой концепции на строительную отрасль привело к возникновению понятия жизнеподдерживающего строительства (sustainable construction). Такое строительство возможно, только если здания и сооружения не носят вреда окружающей среде. Здания, удовлетворяющие принципу жизнеподдерживающего строительства, должны иметь близкий к нулевому уровень потребления энергии для отопления и кондиционирования, а после сноса их конструкции полностью перерабатываются для получения новых строительных материалов и изделий.

Ресурсосбережение в строительстве и промышленности строительных материалов развивается в настоящее время по следующим направлениям:

замена природного сырья на промышленные отходы, в результате чего снижается потребление природных минерально-сырьевых ресурсов, при этом реализуется дополнительный экологический эффект – ликвидируются промышленные свалки;

повышение технико-строительных характеристик продукции, например прочности строительных материалов или несущей способности конструкций, что позволяет снизить их материалоемкость;

увеличение долговечности материалов, что обеспечивает повышение срока эксплуатации и затрат на ремонтно-восстановительные работы;

проектирование зданий, сооружений и отдельных строительных конструкций с новыми возможностями для их модернизации, реконструкции и ремонта.

Энергосбережение является составной частью ресурсосбережения, однако это направление часто рассматривают самостоятельно. Обычно выделяют три направления энергосбережения:

снижение потребления энергии в промышленности строительных материалов за счет применения малоэнергоемких технологий производства;

использование при строительстве зданий эффективных теплоизоляционных материалов и конструкций, обеспечивающих снижение потерь тепла через ограждающие конструкции;

проектирование и строительство зданий с эффективными системами отопления и вентиляции, позволяющими утилизировать тепловую энергию («умные дома»).

Решением разнообразных, но часто взаимосвязанных задач энергосбережения занимаются специалисты различных профилей, которые используют специфические методы. В промышленности строительных материалов наиболее перспективный путь снижения энергоемкости производства – это замена портландцемента на безобжиговые вяжущие щелочной активации. Развитие таких вяжущих началось еще в тридцатые годы двадцатого века, когда в условиях острого дефицита цемента велись поиски других, более дешевых вяжущих на основе промышленных отходов. Однако системные исследования безобжиговых вяжущих начались только в пятидесятые годы прошлого века, когда В.Д. Глуховский и его сотрудники создали сначала материалы под названием «грунтосиликат», а затем шлакощелочное вяжущее и бетоны.

Шлакощелочные вяжущие разрабатывались не как альтернатива портландцементу, а как дешевый материал, способный увеличить общий объем производства строительных вяжущих. Однако в процессе практического применения было установлено, что шлакощелочное вяжущее по ряду характеристик превосходит портландцемент; в частности, при производстве бетона допускалось использование менее качественных заполнителей. Кроме того, возможно получение более прочных и жаропрочных бетонов.

Исследование и опытно-промышленное производство шлакощелочного и других безобжиговых вяжущих активно велись вплоть до начала девяностых годов прошлого века. После уменьшения объемов строительства, которое наблюдалось в период экономического кризиса 1990-х годов, интерес к безобжиговым ресурсосберегающим вяжущим и бетонам на их основе заметно снизился.

Новый этап в развитии безобжиговых вяжущих – создание и исследование с начала девяностых годов двадцатого века учеными Пензенского ГУАС под руководством В.И. Калашникова глиношлаковых вяжущих.

Ими было установлено, что замещение до 40 % шлака измельченной глиной практически не приводит к снижению прочности комплексного вяжущего. Исследования показали, что количество щелочного активатора может быть уменьшено при условии снижения водовяжущего отношения, что обеспечивает достаточную концентрацию щелочи в жидкой фазе.

Сокращение расхода воды приводило к ухудшению удобоукладываемости смеси, что ограничивало область применения малощелочных вяжущих приготовлением жестких смесей для производства мелкоштучных изделий методами прессования или вибропрессования.

В результате дальнейших исследований были получены минеральношлаковые вяжущие на основе карбонатных, гравелитовых и других осадочных горных пород, таких, как песчаник, глауконит, халцедон. В зависимости от содержания в вяжущем горных пород такие вяжущие классифицируются на минерально-шлаковые, геошлаковые и геосинтетические.

В Казанском ГАСУ под руководством Р.З. Рахимова начиная с середины двухтысячных годов ведутся разработка и исследование шлакощелочных строительных материалов на основе доменных шлаков и кремнеземистых и алюмосиликатных минеральных добавок природного и техногенного происхождения. В состав этих вяжущих, названных композиционными шлакощелочными вяжущими, вводится до 20 % молотого кварцевого песка, боя керамического кирпича, отработанной формовочной смеси, цеолита и других природных и техногенных материалов.

Анализ структурообразования вяжущих щелочной активации позволил французскому исследователю Дж. Давидовицу в семедесятых годах двадцатого века создать новое направление в технологии безобжиговых вяжущих. Материал, разработанный этим ученым, обозначают термином «геополимер». Геополимеры, которые в настоящее время исследуют и внедряют в промышленное производство большое число специалистов во всем мире, получают при обработке щелочами или кислотами природных или техногенных алюмосиликатных материалов – термически обработанных каолина, полевого шпата, а также шлаков, зол и др.

Строительные материалы на основе геополимеров имеют значительные преимущества в сравнении с традиционными материалами: они производятся на основе крупнотоннажных промышленных отходов по безобжиговой технологии, что позволяет значительно снизить себестоимость производства. Материалы на основе геополимерных вяжущих в ряде случаев имеют более высокую коррозионную стойкость и долговечность.

Технология производства этих материалов во всем мире относится к перспективным ресурсо- и энергосберегающим технологиям в строительной индустрии.

Другой разновидностью безобжиговых вяжущих является разрабатываемое в последние годы минерально-щелочное вяжущее на основе отходов добычи и переработки магматических горных пород. Преимуществом этих вяжущих является прежде всего наличие больших объемов накопившихся за многие годы отходов в дисперсном виде, что существенно снижает затраты энергии на помол сырья. Развитие технологии этих материалов позволяет наладить производство недорогих строительных материалов и решить проблему хранения и использования отходов добычи и переработки магматических горных пород.

В нашей стране в настоящее время осуществляется постепенный переход от экономики, основанной на добыче и продаже полезных ископаемых, к высокотехнологичной экономике. В связи с этим разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий строительных материалов на основе вторичных ресурсов является особо актуальной задачей.

1. МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВЫЕ РЕСУРСЫ И ЭНЕРГИЯ

В ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ресурсами называют источники удовлетворения потребностей общества. Современная промышленность потребляет большое количество ресурсов. В производственной сфере ресурсы подразделяют на материальные, энергетические, трудовые, информационные, финансовые и др. При разработке новых и совершенствовании существующих технологий особое внимание должно уделяться использованию невозобновляемых минерально-сырьевых ресурсов и замене их на возобновляемые или вторичные источники сырья (отходы производства).

При исчерпании богатых и переходе к бедным месторождениям полезных ископаемых расход сырьевых ресурсов для производства продукции и количество отходов значительно возрастают. В связи с этим повышается интерес к технологиям, использующим в качестве сырья промышленные отходы.

Для строительной отрасли минерально-сырьевые ресурсы имеют особо важное значение. Это связано с тем, что строительство – один из наиболее материалоемких видов деятельности человека. Ежегодно из природной среды, в основном из литосферы, извлекаются миллиарды тонн сырья, которое после переработки используется в качестве материалов для строительства жилых и производственных зданий, транспортных сооружений.

Ограниченность сырьевых ресурсов и необратимые изменения в природной среде в результате техногенного воздействия – две основные причины, определяющие необходимость разработки и внедрения в промышленность ресурсосберегающих технологий. Эти технологии активно развиваются в странах, имеющих высокий научно-технический и промышленный потенциал.

1.1. Современный уровень развития ресурсосбережения в промышленности строительных материалов Производство строительных материалов относится к безотходным и малоотходным технологиям. Для получения одной тонны стали необходимо переработать 20 тонн сырья и затратить 32,2 ГДж энергии.

При заводском производстве 1 м3 бетона затраты энергии составляют всего 2,0 ГДж/м3, а для монолитного бетона – 0,8 ГДж/м3. Кроме того, что производство бетона практически не дает отходов, его технология позволяет утилизировать некоторые отходы производства; в частности, значительная часть золы-уноса и металлургических шлаков в Германии используется в технологии бетона в качестве заполнителя или компонентов цемента.

Несмотря на то что технология бетона, кирпича и многих других строительных материалов является практически безотходной, промышленность строительных материалов оказывает большое воздействие на окружающую среду. Уровень этого воздействия определяется колоссальными объемами производства материалов для строительства. В связи с этим даже частичная замена природного сырья на промышленные отходы даст большой экономический, ресурсосберегающий и природоохранный эффекты.

Проблема использования производственных отходов возникла одновременно с появлением промышленности. С ростом объемов производства росли размеры промышленных свалок, увеличивалось загрязнение атмосферного воздуха, грунтовых вод и водоемов.

В связи с этим на каждом предприятии необходимо контролировать количество и качество отходов, соотнесение их с количеством и качеством выпускаемой продукции, а также проводить совершенствование производства с целью снижения образования отходов. Такой подход в терминах промышленной экологии и ресурсосбережения принято называть концепцией «контроль на трубе». Основными методами реализации данной концепции являются:

контроль качества окружающей среды непосредственно на предприятии и в его ближайшем окружении; мониторинг источников выбросов и мест хранения отходов;

законодательное стимулирование уменьшения общего количества отходов за счет внедрения мало- и безотходных технологий;

ликвидация токсичных отходов в пределах их создания, накопления и хранения.

Однако опыт реализации концепции «контроль на трубе» в промышленно развитых странах в 80-е годы двадцатого века показал, что, несмотря на положительные сдвиги в охране окружающей среды и развитии ресурсосберегающих технологий, эта концепция не позволяет решить всех проблем.

На идее применения промышленных отходов в качестве сырья для других технологий основывается концепция «индустриального метаболизма». Эта концепция ориентирует технологическое развитие не на захоронение или уничтожение отходов, а на использование их в производстве. При этом вовлеченные в производство продукции отходы производства и потребления в рамках этой концепции необходимо оценивать по их влиянию на людей и окружающую среду на всех этапах жизненного цикла продукции. Конечный продукт разложения отходов производства и потребления должен прийти в физико-химическое равновесие с окружающей средой, стать равновесной частью литосферы, гидросферы и атмосферы.

Современный уровень развития науки и техники не позволяет найти применение значительному числу отходов в какой-либо технологии. В связи с этим в странах Западной Европы становится популярной так называемая «датская концепция» обращения с отходами. Ее суть заключается в следующем:

нельзя сжигать или уничтожать другим образом отходы, которые можно использовать в существующих или разрабатываемых технологиях;

отходы, которые нельзя утилизировать, но можно сжечь или использовать как добавку к энергопроизводству, нельзя уничтожать (закапывать);

уничтожать (закапывать и т.п.) можно только те отходы, которые не относятся к первым двум категориям.

Отсутствие рентабельных технологий по использованию вторичных ресурсов должно заставить производителей этих отходов их накапливать с соблюдением правил экологической безопасности за свой счет. Это является сильным стимулом для внедрения малоотходных технологий или технологий, потребляющих в качестве сырья отходы.

Разработка абсолютно новых технологий строительных материалов на основе промышленных отходов – сложная и при современном уровне развития науки и техники трудноразрешимая на практике задача.

Промышленные отходы чаще применяются в технологии строительных материалов как дополнительный компонент в составе сырья при производстве традиционных материалов. В ряде случаев это позволяет улучшить свойства готовой продукции. Например, введение в цемент доменного гранулированного шлака значительно повышает сульфатостойкость, жаростойкость и прочность бетона при тепловлажностной обработке.

Производство разработанных более 50 лет назад шлакощелочных вяжущих и их современных разновидностей, а также бетонов на их основе не достигло объемов, сопоставимых с объемами производства традиционного портландцемента и строительных материалов, изготовленных с его применением. Это связано с нестабильностью состава шлаков, недостаточно большими объемами их производства (в сравнении с цементом), неравномерностью распределения металлургических производств на территории страны, а также повышенной опасностью концентрированных щелочей, применяющихся в производстве.

Намного более перспективным вяжущим, которое производится по ресурсо- и энергосберегающей технологии, является минерально-щелочное вяжущее на основе отходов переработки магматических горных пород:

гранита, базальта, габбро, диабаза, сиенита и др. Объемы добычи этих пород сопоставимы с объемами производства бетона, а доля отходов – отсевов дробления – составляет 22…27 %, что обеспечивает строительную индустрию достаточными объемами сырья для производства минеральнощелочного бетона. Недостатком этого материала является отсутствие достоверных сведений по его поведению в различных условиях эксплуатации, что пока не позволяет использовать его в ответственных конструкциях. Кроме того, районы добычи магматических пород неравномерно расположены на территории страны – в европейской части это Урал, Кавказ, Карелия, Ленинградская и Воронежская области.

Намного лучше исследованы геополимерные вяжущие, которые могут производиться на основе различного минерального сырья и отходов промышленности. Наиболее перспективным сырьем считается зола-унос ТЭС, объемы образования которой во всем мире составляют несколько сотен миллионов тонн.

Более детально механизмы структурообразования, технология и свойства геополимерного и минерально-щелочного вяжущих будут рассмотрены во втором разделе учебного пособия.

Строительные материалы по составу можно разделить на неорганические, органические и смешанные. Соответственно и сырье для их производства делится на такие же группы.

К органическим материалам относятся соединения углерода преимущественно полимерной структуры. В эту группу не входят карбонаты, которые составляют основу сырья для производства извести, цемента и некоторых других строительных материалов. К органическому сырью относятся материалы природного (нефть, древесина, костра и др.) и искусственного происхождения (пластмассы, смолы и др.).

К неорганическому сырью относятся горные породы, которые добывают из земной коры. К числу таких материалов, имеющих наибольшее значение в технологии строительных материалов, относят каменные горные породы (гранит, бызать, габбро, известняк, доломит), глины, пески, мел, мергель, гипсовый камень.

Основу современного строительства на сегодняшний день составляют неорганические строительные материалы, так как они, в сравнении с органическими, характеризуются более высокой прочностью и долговечностью.

Источником минерального сырья является поверхностный слой земной коры, состав которой представлен в основном семью оксидами: 60 % диоксида кремния, 15 % оксида алюминия, 6 % оксидов железа, 6 % оксидов кальция, 4 % оксидов натрия, 3 % оксидов калия и 2,5 % оксидов магния. На долю всех остальных веществ приходится около 3,5 %. Для технологии строительных материалов наибольшее значение имеют горные породы, содержащие оксиды кремния, кальция и алюминия.

Земная кора сложена горными породами, которые образованы одним или несколькими минералами. Скопление в земной коре определенных горных пород, разработка которых представляет практический интерес, в частности для строительства, называется месторождением. Промышленное значение месторождения полезного ископаемого определяется его качественной и количественной характеристиками, а также запасами, географическим положением, условиями залегания, экономичностью эксплуатации и т.д. В состав месторождений могут входить горные породы, которые являются естественным строительным материалом либо сырьем для их производства. Все эти породы составляют так называемые нерудные ископаемые. По их происхождению горные породы классифицируются на три группы: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические.

Магматические породы. Изверженные породы образовались в результате застывания и отвердения расплавленной магмы, которая представляет собой расплав с типичной температурой 1000...1300 °С. Состав магмы и образовавшихся из нее горных пород делится по содержанию SiO на ультраосновные (65 %) (рис. 1.1). По суммарному содержанию щелочей (Na2O и K2O) магмы подразделяются на магмы нормального ряда, субщелочные и щелочные.

Рис. 1.1. Состав и классификация изверженных горных пород Разделение магматических пород по содержанию SiO2 имеет большое практическое значение. Так, с уменьшением доли этого оксида в глубинных породах возрастает плотность, понижается температура плавления, породы лучше поддаются полировке, окраска их становится темнее.

От условий охлаждения магмы зависит структура горных пород (см.

рис. 1.1). При медленном охлаждении магмы на большой глубине, в условиях высокого давления, образуются интрузивные (глубинные) породы, для которых характерна поликристаллическая гранитная структура. При быстром охлаждении магмы, излившейся в виде лавы на поверхность земли или близко к ее поверхности, сформировались эффузивные (излившиеся) породы. В таких условиях образовались минералы со скрытокристаллической, порфировой (аморфной) структурой. Эти породы в зависимости от условий выхода лавы из глубины земли делятся на массивные и обломочные. К числу эффузивных горных пород относятся риолит, базальт, диабаз. андезит. Эти породы имеют аналоги среди интрузивных пород со сродным химическим составом, но с различным минералогическим составом (см. рис. 1.1).

За исключением экструзивных пород с пористой и пирокластической структурой, магматические горные породы, особенно глубинные, характеризуются высокой прочностью, морозостойкостью, стойкостью к истиранию, действию кислот, низкой пористостью. Они используются для получения щебня для высокопрочных и морозостойких бетонов, элементов дорожных прикрытий, облицовки и архитектурных деталей. Базальт, диабаз применяются для получения минеральной ваты и каменного литья.

Пористые излившиеся породы – пемза, вулканический туф – используются в качестве тепло- и звукоизоляционных строительных материалов. Эти породы наряду с вулканическим пеплом могут применяться как пуццолановые добавки для цемента и воздушной извести.

Осадочные породы. Выветривание магматических горных пород (постепенное разрушение под воздействием воды, колебаний температур и т.д.) приводит к их разрушению до обломков различных размеров, а затем до мельчайших частиц. Эти частицы переносятся ветром, водой, а затем отлагаются в виде рыхлых скоплений или осадков на дне рек, озер, морей, океанов и на поверхности суши. Из рыхлых осадков с течением времени формируются различные осадочные породы.

Осадочные породы слагают самые верхние слои земной коры, покрывая чехлом породы магматического и метаморфического происхождения. Осадочные породы покрывают 75 % поверхности Земли, хотя их доля в массе земной коры всего 5 %. Состав осадочных пород представлен как наиболее долговечными минералами магматических горных пород (кварц, полевой шпат, слюды), так и другими минералами, характерными только для осадочных пород (кальцит, каолинит, монтмориллонит и др.).

Для залегания осадочных пород характерна слоистость, которая сформировалась в результате периодического изменения условий накопления осадков. Толщина слоев (пластов) может колебаться в широком интервале – от миллиметров до десятков метров. Такой характер залегания осадочных пород оказывает влияние на технологию подготовки этих материалов в технологии строительных материалов. Для получения стабильного качества на складах сырья предусматривается усреднение сырья.

Осадочные породы, в зависимости от происхождения, делятся на три группы:

- обломочные (механические отложения);

- хемогенные;

- органогенные.

Обломочные породы могут быть рыхлыми или сцементированными.

Рыхлые породы, в зависимости от размеров обломков, классифицируются на грубые (более 2 мм), песчаные (0,05…2 мм), пылевидные (0,005…0,05 мм), глинистые (менее 0,005 мм).

Рыхлые обломочные породы. Обломки могут иметь угловатую и окатанную форму. Последняя сформировалась в результате переноса обломков водой.

В состав грубообломочных пород могут входить угловатые (глыбы, щебень, дресва) и окатанные (валуны, галька, гравий) обломки различных горных пород. Наибольшее количество этих пород расположено в горных массивах, на морских побережьях, в речных долинах и районах ледниковых отложений. Грубообломочные породы используются в технологии бетона в качестве крупного заполнителя, а также для дорожного строительства.

Песчаные породы – рыхлые накопления, состоящие из обломков минералов с размерами от 2 до 0,05 мм (в строительстве песком считается материал с размерами частиц от 5 до 0,16 мм). В песках преобладает минерал, устойчивый к выветриванию, – кварц. Иногда встречаются полевошпатные пески. В песчаных породах может содержаться до 50 % примесей. Пески очень широко распространены. Значительное число их месторождений имеется во всех регионах. Однако крупные пески, пригодные для производства бетона, встречаются не везде. Это сырье используется для производства бетона, строительного раствора, силикатного кирпича и ячеистого бетона, а также в дорожном строительстве, Глинистые породы (в состав которых входят частицы размером менее 0,005 мм) очень распространены. Глинистые частицы формируются в основном в процессе химического выветривания. Наличие этих частиц в породах в значительном количестве обусловливает коллоидное взаимодействие между частицами. Коллоидные связи являются следствием действия сил молекулярного и электростатического притяжения как непосредственно между самими частицами, так и между частицами и молекулами воды, содержащейся в породе. Глинистые грунты обладают целым рядом свойств, значительно отличающих их от других грунтов. К числу наиболее характерных особенностей следует отнести изменение их свойств в зависимости от влажности. Так, с ростом влажности прочность их резко снижается, в сухом же состоянии эти породы способны выдерживать без разрушения значительную нагрузку.

Состав глинистых грунтов, структурно-текстурные особенности, а также строение слагаемых ими толщ определяются генезисом. Кроме того, ощутимое влияние на свойства глинистых грунтов оказывают их возраст и условия залегания. По гранулометрическому составу глинистые грунты можно разделить на глины, суглинки, супеси.

К глинам относят породы, у которых содержание глинистых частиц превышает 30 %. Как правило, в глинах содержится много коллоидных частиц. Глины имеют преимущественно полиминеральный состав. Содержание глинистых частиц у суглинков в пределах 10...30 %. Мономинеральных разностей среди суглинков не встречается. Супеси содержат от 3 до 10 % глинистых частиц, вследствие чего по своим свойствам они занимают промежуточное положение между глинистыми и песчаными грунтами. Глинистые породы составляют половину объема осадочных пород, в связи с чем они имеют большое значение для строительства, так как глинистые грунты часто являются основанием для зданий и сооружений. В промышленности строительных материалов глинистое сырье используется для производства стеновой керамики, черепицы, искусственных пористых заполнителей и других видов строительных материалов.

Сцементированные обломочные породы. Рыхлые обломочные породы в природных условиях могут подвергаться цементации за счет веществ, выделяющихся из циркулирующих водных растворов; в поры может вноситься («вмываться») пылеватый и глинистый материал. Кроме того, в них могут выпадать из растворов в осадок гипс, кальцит, кремнекислота, гидроксиды железа и другие соединения. Появление этих веществ в толще несцементированных обломочных грунтов не только приводит к увеличению плотности последних, но и вызывает образование прочных кристаллизационных связей между отдельными частицами вследствие цементации межчастичного пространства. В итоге геологической «жизни» сцементированные крупнообломочные породы и пески превращаются в конгломераты, брекчии, песчаники, т.е. в грунт с жесткими кристаллизационными связями. Обычно это происходит в зоне цементации, которая располагается в земной коре на некоторой глубине ниже зоны выветривания.

Цементирующие вещества по своему составу могут быть кремнеземистыми, железистыми, известковыми и глинистыми. Наиболее прочным является кремнеземистый цемент, наименее прочным – глинистый. Широко распространены следующие типы сцементированных осадочных пород:

конгломераты, брекчии, алевролиты и аргиллиты.

Конгломерат – горная порода, состоящая из окатанных обломков (галька, гравий) различного состава, сцементированных глиной, известью, кремнеземом и др.; образуется в результате размыва и переотложения более древних пород.

Брекчия – горная порода, состоящая из угловатых (неокатанных – щебень, дресва) сцементированных обломков осадочных или вулканических пород.

Алевролиты и аргиллиты образуются при «окаменении» песчанопылевых и глинистых пород вследствие их уплотнения, повышения температуры и кристаллизации коллоидов. Алевролиты и аргиллиты редко имеют однородные тела значительных размеров. Чаще всего они залегают прослоями в толще песчаных или песчано-карбонатных пород. В зависимости от гранулометрического состава они могут быть песчаными, пылеватыми и глинистыми. Характеристика состава является определяющей в оценке формирования физико-механических свойств описываемых пород, но главнейшими факторами, сказывающимися на прочностных параметрах алевролитов и аргиллитов, являются тип и состав цемента. В зависимости от цемента алевролиты и аргиллиты образуют обширный ряд последовательных переходов от слабо прочных разностей, близких по своим свойствам к глинам, до окварцованных пород, среднее значение прочности которых превышает 100 МПа.

Описываемые породы практически всегда неморозостойкие, не выдерживают механического перемятия и размягчения, а также резких температурных колебаний. Эти породы быстро выветриваются, чему способствует слоистая структура.

Хемогенные горные породы образуются в результате выпадения из водных растворов химических осадков. К таким породам относятся различные известняки, известковый туф, доломит, ангидрит, гипс, каменная соль и др. Общими для этих пород особенностями являются их растворимость в воде и трещиноватость. Наиболее распространенные представители хемогенных пород – это известняки, которые по своему происхождению могут быть также обломочными, органогенными.

Органогенные (биохемогенные) горные породы образуются в результате накопления и преобразования остатков животного мира и растений, отличаются значительной пористостью, многие растворяются в воде; обладают большой сжимаемостью. К кремнистым органогенным породам относятся известняк-ракушечник, диатомит, трепелы, опока.

Кремнистые породы химического и биохимического происхождения встречаются среди самых разновозрастных отложений. Характерным представителем кремнистых пород являются опоки. Они встречаются в Среднем и Нижнем Поволжье, на восточном склоне Урала, в западной части Западно-Сибирской низменности и ряде других районов. Опоки сложены тонкозернистым опалом, содержание которого достигает 85...90 %.

Обычно в опоках полностью отсутствуют частицы крупнее 0,1 мм, а частиц, которые меньше этой величины, содержится более 70...80 %.

Рядом промежуточных типов опоки связаны с глинистыми и песчаными породами. Типичные опоки имеют желто-серый и светло-серый цвет.

Практически во всех разновидностях опок обнаруживается раковистый излом. Общими особенностями опок являются: высокая пористость; большая влагоемкость; сравнительно высокая прочность в сухом состоянии и значительное ее падение при водонасыщении; слабая морозоустойчивость.

Карбонатные осадочные породы. Среди карбонатных пород широко распространены известняки и доломиты, значительно реже встречается мел, хотя местами он образует значительные залежи. Помимо чистых разновидностей указанных пород описано большое число «смешанных»

типов: мергелей, известковых песчаников и т.д.

Известняки, как правило, образуются в морских условиях и в зависимости от примесей (глинистых, битуминозных и др.), структуры и текстуры обладают значительно разнящимися свойствами.

Наиболее прочными являются массивные мелкозернистые перекристаллизованные окварцованные известняки. Кристаллические известняки разнообразны по структуре: от мелкозернистых до крупнозернистых и даже брекчиевидных. Наличие кремнистого материала положительно сказывается на прочностных характеристиках известняков, в то время как примесь глинистого материала может сыграть отрицательную роль.

Прочность массивов, сложенных карбонатными породами, в основном определяется их трещиноватостью различного происхождения. Наиболее стойкими к выветриванию являются массивные мелкозернистые окремневшие или окварцованные известняки.

Доломиты, наряду с известняками, являются широко распространенными породами карбонатного комплекса. Обычно это мелко- или среднекристаллические породы. Довольно часто доломиты содержат повышенное содержание кальцита, а в отдельных случаях отмечена примесь глинистого материала. Доломиты обычно имеют высокие показатели физикомеханических свойств.

При фильтрации через доломиты сульфатных вод образуется вторичный кальцит, выщелачивание которого зачастую приводит к образованию доломитовой муки, которая состоит в основном из доломита (87...99 %) и кальцита (13...1 %). Физико-механические свойства доломитовой муки во многом сходны со свойствами тонкозернистых песчаных грунтов.

Среди карбонатных пород интересной с точки зрения технологии портландцемента является мергель. Это известково-глинистая порода, у которой глинистые частицы сцементированы карбонатным материалом.

Распределение глинистого и карбонатного вещества в мергеле чаще всего равномерное. Содержание СаСО3 в мергеле колеблется в пределах 25...30 %. При большем содержании СаСО3 порода получает название мергелистый известняк, а при меньшем – глинистый мергель. Мергель может использоваться в качестве природного сырья для производства цемента в качестве однокомпонентной сырьевой шихты.

Другой интересной карбонатной породой, применяющейся для производства извести и цемента карбонатного состава, является белый писчий мел. Мел является органохемогенной породой, сформировавшейся в условиях, когда одновременно с наличием известковых остатков организмов шло выделение из воды неорганического кальцита. Однородность мела очень высока, а содержание кальцита всегда больше 90 %. Мел характеризуется значительной пористостью и трещиноватостью. Прочность мела изменяется в широких пределах, в зависимости от его состава, пористости и влажности. Из-за слабой цементации и значительного водопоглощения мел имеет очень низкую морозоустойчивость и быстро выветривается. Мел легче, чем известняк, измельчается, и его применение для приготовления сырьевой шихты в технологии цемента позволяет снизить расход электроэнергии на помол сырья.

Гипс, как типичный представитель сульфатных отложений, часто встречается вместе с ангидритом. Ангидрит (СаSO4) в соприкосновении с водой легко гидратируется и переходит в гипс (СаSO4·2Н2О). Этот переход сопровождается значительным увеличением объема, с которым часто связаны деформации гипсовых толщ. Некоторые разности ангидритов, особенно мелкокристаллические, характеризуют высокие показатели прочности. Гипсы и ангидриты являются ценными полезными ископаемыми, которые используются для производства воздушных вяжущих.

Метаморфические горные породы. Магматические и осадочные горные породы в процессе своего существования и в результате внутренней динамики Земли могут попасть в такие участки земной коры, где температура, давление и химизм среды резко отличаются от условий образования этих пород. В новых условиях многие минералы вступают в реакции, изменяющие первоначальный состав, строение и сложение пород.

В целом под метаморфизмом горных пород понимают существенные изменения их минерального состава, структуры и текстуры, происходящие под воздействием эндогенных процессов в земной коре с сохранением твердого состояния породы, без расплавления или растворения.

Метаморфические породы по внешнему виду и условиям залегания занимают промежуточное положение между магматическими и осадочными породами. По минеральному составу они ближе к магматическим породам. Метаморфические породы, возникшие из глубинных магматических пород, сохраняют их первоначальную форму залегания. При метаморфизации осадочных пород слоистость сильно деформируется. В процессе движения земной коры метаморфические породы могут быть выведены на дневную поверхность и служить объектом инженерной деятельности человека. Эти породы чаще всего бывают трещиноватыми и имеют различную прочность и стойкость к выветриванию во времени.

Например, если кварциты в городских условиях начинают разрушаться через 200...400 лет, то мраморы – уже через 20...130 лет.

Для большинства метаморфических пород характерна анизотропность свойств, обусловленная их слоистостью и сланцеватостью. Прочность на сжатие, сопротивление сдвигу, модуль упругости значительно ниже вдоль сланцеватости, чем перпендикулярно ей. Сланцеватостью определяется и значительная выветриваемость этих пород, а также пониженная устойчивость на природных склонах и в бортах искусственных выработок.

Многие метаморфические породы образуют тонкоплитчатые или листовые, весьма подвижные осыпи. Особенно ярко это проявляется у слабометаморфизированных пород, например у глинистых сланцев.

К породам, которые подверглись воздействию глубокого метаморфизма и получили широкое распространение, относятся гнейсы, кварциты, кристаллические сланцы. Несколько реже встречаются мраморы и мраморизованные известняки.

Наиболее прочными и устойчивыми метаморфическими породами являются кварциты. Кварциты – это массивные породы различной зернистости, обладающие очень высокой прочностью, сопротивлением истиранию, твердостью. Наличие жестких кристаллизационных связей между слагающими минеральными зернами, кроме того, приводит к исключительно высокой морозоустойчивости и слабой выветриваемости кварцитов.

Характерной карбонатной метаморфической породой является мрамор – перекристаллизованный известняк, в котором между кристаллическими зернами имеется непосредственная связь. Среднее значение прочности при сжатии этой породы – 100 МПа. Мрамор устойчив к выветриванию, однако в условиях антропогенного воздействия, особенно в городских условиях, скорость его выветривания значительно возрастает.

Горные породы соответствующего состава – основной источник минерального сырья в промышленности строительных материалов. Запасы этого сырья велики, но они исчерпаемы. В процессе технологической обработки минеральное сырье подвергается механической, термической, физико-химической обработке. В ходе этих процессов с материалом происходят необратимые изменения, в связи с чем невозможно его использовать при рециклинге по тем же технологиям, что и были использованы для первичного производства материала. Чем глубже переработка первичного материала, тем значительнее в нем происходят изменения. В связи с этим для рециклинга необходима разработка производств, основанных на новых технологических принципах.

Другим направлением повторного использования материалов может быть разработка технологий, которые не приводят к существенным изменениям структуры материала. Примером такой технологии является производство и применение гипсовых вяжущих, которые предусматривают обжиг гипсового камня при температуре 110...160 С. В процессе обжига происходит переход двуводного сульфата кальция в полуводный, который является основой гипсового вяжущего. При производстве изделий и материалов на основе гипса полуводный сульфат кальция после затворения водой вновь переходит в двуводный сульфат кальция, из которого в ходе рециклинга вновь можно произвести вяжущее.

Еще одним примером эффективности неглубокой переработки сырья могут служить здания, построенные из кирпича-сырца в городе Шибам (Йемен).

В этом городе здания 5...10 этажей строятся из необожженного кирпича (рис.1.2). В сухом климате аравийского полуострова эти здания эксплуатируются в течение 200...400 лет. Изредка выпадающие осадки и наводнения приводят к постепенному разрушению зданий. При обветшании здания разбираются и строятся новые. При этом отслуживший свое строительный материал может использоваться для вновь изготавливаемого кирпича. Этот город, который сегодня называют «Манхеттен пустыни», существует около 2000 лет, что свидетельствует о высокой эффективности такой технологии производства строительных материалов и возведения зданий.

Рис. 1.2. Многоэтажные здания в г. Шибам (Йемен) Некоторые горные породы являются естественными строительными материалами, так как для их использования требуется лишь незначительная технологическая переработка, включающая преимущественно механические процессы (измельчение, шлифовка, промывка). К числу таких материалов относятся песок, гравий, песчано-гравийная смесь, щебень, отделочный и стеновой камень.

Другие горные породы подвергаются более глубокой переработке при химических и физико-химических процессах, например:

- известняк и глина в производстве цемента;

- известняк, предварительно обожженный в известь и песок в производстве силикатного кирпича и силикатного бетона.

Добыча нерудных полезных ископаемых в большинстве случаев ведется открытым способом из горных выработок. Совокупность горных выработок называют карьером.

После исчерпания полезного ископаемого необходима рекультивация горных выработок. Эта работа включает в себя два этапа – горнотехническую рекультивацию и биологическую рекультивацию. На первом этапе производятся засыпка горных выработок вскрышными породами, подготовка к восстановлению ландшафта, плодородия. Затем возможно несколько видов биологической рекультивации – сельскохозяйственная, лесохозяйственная, водохозяйственная, рекреационная, природоохранная, строительная. Эти работы требуют значительных материальных и финансовых ресурсов, что существенно повышает себестоимость природного сырья.

Сырье растительного и животного происхождения имеет намного меньшее значение в современном строительстве, чем минеральные материалы. Однако во многих регионах, где преобладает традиционное строительство, это сырье сохраняет иногда доминирующее положение.

Среди использующихся сегодня строительных материалов на основе растительного сырья наибольшее значение имеет древесина – твердый и прочный волокнистый материал, скрытая корой основная часть стволов деревьев. Древесина применяется в строительстве в виде пиломатериалов прямоугольного сечения (брус, доски), древесных плит (фанера, древесноволокнистые плиты, древесно-стружечные плиты, цементно-стружечные плиты, ориентированно-стружечные плиты), шпона, столбов, свай, стоек.

Из древесины изготавливают паркет, половую доску, плинтуса, поручни для перил, подоконные доски, окна и двери, мебель.

Древесина состоит из отмерших одеревеневших клеточных элементов с толстой оболочкой из целлюлозы, которые склеены между собой веществами под общим названием «лигнин». В неблагоприятных условиях древесина многих видов склонна к гниению. В связи с чем ее обрабатывают различными веществами – антисептиками, которые предотвращают развитие гнилостных бактерий, плесени, грибов, насекомых.

Древесина считается одним из наиболее экологически безопасных материалов, однако деревоперерабатывающее производство дает большое количество отходов. Для производства 1 м3 пиломатериалов необходимо затратить 1,5 м3 деловой древесины, для производства фанеры – 2,5 м сырья, а на 1 м3 столярных изделий затрачивается 9…10 м3 древесины. В связи с большим количеством отходов деревоперерабатывающее производство нельзя считать «экологически чистым». Хотя изделия и конструкции из древесины относятся к числу благоприятных для человека материалов с точки зрения санитарно-гигиенических требований.

Сырье животного происхождения, в частности шкуры животных, войлок, широко используется кочевыми народами для строительства перемещаемого традиционного жилья – юрт, чумов, тили, яранг. Однако в современном строительстве эти материалы не применяются.

Отходы переработки животного сырья в настоящее время используются для производства белковых пенообразователей, применяемых в технологии ячеистых бетонов. По ряду показателей белковые пенообразователи превосходят синтетические.

Кроме сырья, извлекаемого из природной среды, в промышленности могут применяться различные отходы. Доля использования этих материалов в различных странах и отраслях промышленности зависит от уровня развития в них науки и техники. Традиционно считается, что строительство и строительная индустрия обладают наибольшим потенциалом с точки зрения возможности использования вторичного сырья.

Анализ структуры отходов (рис. 1.3) в странах Западной Европы показывает, что эти материалы в большинстве своем потенциально могут быть использованы в технологии строительных материалов. Опыт европейских стран показывает, что для рентабельного применения этих материалов необходимо сформировать индустрию сортировки и переработки отходов на различных стадиях их сбора и утилизации.

Рис. 1.3. Распределение отходов по секторам в странах Европейского Союза Наиболее перспективными для строительной индустрии являются отходы металлургической, энергетической, горнодобывающей и химической отраслей промышленности.

Отходы металлургической промышленности. Основной вид отходов металлургического производства – шлаки. Ежегодно образуется несколько десятков миллионов тонн металлургических шлаков, а количество накопившихся в отвалах исчисляется сотнями миллионов тонн.

Термином «шлак» обозначают отходы, получаемые при плавке различных металлов и при сжигании минерального топлива. Эти материалы делят на две группы: металлургические и топливные. Последние образуются при сжигании твердого топлива на электростанциях и в котельных. Топливные шлаки не являются металлургическими отходами, но их свойства схожи с некоторыми видами металлургических шлаков, в связи с чем области их применения в строительной индустрии совпадают.

Шлаки различаются химическим и минералогическим составом, кристаллической структурой, вследствие чего их химические, физические и, следовательно, технические свойства имеют свои особенности.

Металлургические шлаки – это продукты высокотемпературного взаимодействия топлива, руды, плавней и газовой среды. Свойства шлаков зависят не только от их состава и температуры. Большое влияние на их структуру оказывает скорость охлаждения: при медленном охлаждении формируется плотнокристаллическая структура (отвальные шлаки), а при быстром – стекловидная (гранулированные шлаки, поризованные шлаки).

Наиболее реакционноспособными материалами, использующимися в качестве активных минеральных добавок для цементов или в качестве самостоятельно твердеющих вяжущих, являются гранулированные шлаки и золы ТЭЦ, отвальные шлаки применяются в качестве инертных материалов (заполнителей) в технологии бетонов.

Существуют две разновидности металлургических шлаков – шлаки черной и цветной металлургии. Шлаки черной металлургии классифицируются по видам металлургических процессов:

- доменные;

- сталеплавильные (мартеновские, конверторные, электросталеплавильные);

- ферросплавные.

Объемы образующихся в ходе этих процессов шлаков зависят от вида сырья. Наибольший выход шлака в доменном процессе – в среднем 0,6…0,7 т. При выплавке стали шлака образуется значительно меньше – 0,2…0,3 т при мартеновском, 0,1…0,04 т – при использовании вагранок и электропечей. Количество шлака на различных металлургических комбинатах зависит от содержания в коксе серы, извести, применяемой для шихтовки, а также уровня используемой технологии.

Шлаки цветной металлургии классифицируются по виду металла, при получении которого образуется этот отход производства. Различают шлаки, полученные при выплавке меди, свинца, никеля, цинка, олова и др.

В таких шлаках содержится не более 0,5 % меди, 0,15 % никеля, 0,03 % кобальта, 1,0…1,5 % цинка и 0,1 % свинца. Соотношение шлака и готового продукта в цветной металлургии намного выше, чем в черной. При выплавке 1 т чугуна получают не более 1 т шлака, а при выплавке 1 т меди или никеля образуется до 30 и 150 т шлака, соответственно.

На состав и свойства шлаков влияют следующие факторы:

1. Химический и минералогический состав компонентов шихты для выплавки металла.

2. Технология получения металла (вид печи, режим и температура).

3. Технология и скорость охлаждения расплава (грануляция, медленное охлаждение в отвалах).

4. Химико-минералогический состав и структура синтезированных новообразований.

Широкое распространение в технологии строительных материалов получили доменные гранулированные шлаки.

Доменные шлаки образуются в результате соединения пустой породы руд, золы топлива и флюсов в процессе выплавки чугуна. Железные руды, наряду с оксидами железа, содержат то или иное количество примесей (кварцевый песок, глина, карбонаты кальция и магния, соединения фосфора и серы и др.), называемых в совокупности пустой породой.

Некоторые из них (соединения фосфора и серы) вредно отражаются на качестве чугуна. Неорганические примеси есть и в топливе, загружаемом в домну для плавления руды. Поэтому в процессе доменного производства необходимо не только восстановить железо из оксидов, но и освободить его от примесей, вносимых с рудой и топливом.

Пустая порода в руде редко бывает легкоплавкой, поэтому для снижения температуры ее плавления в сырьевую шихту вводят специальные добавки – плавни (флюсы), способные образовывать с пустой породой легкоплавкие соединения. В качестве плавней применяют обычно карбонатные породы – известняк, доломит и т.п.

В процессе плавки карбонаты вступают в химическое взаимодействие с компонентами пустой породы и минеральной части топлива, образуя легкоплавкие силикаты и алюмосиликаты кальция и магния. При температуре 1400…1500 C эти соединения плавятся и в виде шлакового расплава, скапливающегося благодаря меньшей плотности над слоем чугуна, выпускаются из доменной печи.

Состав и физические свойства доменных шлаков зависят от состава сырья и топлива, а также марки чугуна. Химический состав доменных шлаков достаточно сложен, в них встречается до 30 различных химических элементов, влияние которых на свойства шлака зависит от количества оксида в продукте. Преобладающими оксидами в шлаке являются SiO2, Al2O3, CaO, MgO, MnO, FeO и SO3. По содержанию главных оксидов доменный шлак сходен с портландцементом и золой-уносом (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Химический состав шлака (1), золы-уноса (2) и портландцемента (3) По химическому составу и свойствам доменные шлаки подразделяются на кислые (с преобладанием SiO2 и Al2O3), основные (с преобладанием CaO и MgO) и нейтральные (с содержанием примерно равного количества кислотных и основных оксидов), что оценивается модулем основности МО, %, по формуле где Са, MgО, SiO2, Al2O3 – процентное содержание в шлаке оксидов В результате анализа причин проявления вяжущих свойств у различных материалов и последовательности процессов минералообразования в твердой фазе П.И. Боженовым в качестве главной химической характеристики силикатов предложено использовать эмпирический коэффициент основности Косн:

где числитель показывает количество условно свободного СаО, необходимого для образования силикатов кальция, а знаменатель –количество СаО для связывания SiO2 в моносиликат кальция.

Нейтральные шлаки содержат 42…48 % СаО. К ним относятся доменные шлаки металлургических заводов европейской части России. Изменение технологии в черной металлургии приводит к повышению основности шлаков из-за увеличения содержания в них оксидов MgO, Fe3O4, ТiO2, CaO.

Оценка гидравлических свойств доменных гранулированных шлаков производится с помощью коэффициента качества (K), который рассчитывается по формулам:

- при содержании MgO до 10 % - при содержании MgO более 10 % где СаO, Al2O3, SiO2, TiO2, MgО – процентное содержание в шлаке В зависимости от коэффициента качества и химического состава доменные гранулированные шлаки подразделяются на три сорта (табл. 1.1).

Наименовании показателей

I II III

Содержание оксида алюминия, %, не менее 8,0 7,5 Не нормируется Содержание оксида магния, %, не более 15,0 15,0 15, В зависимости от скорости охлаждении огненно-жидких шлаков может образовываться стекловидная или плотнокристаллическая структура, представляющая собой сложную минеральную систему. В шлаках преобладают силикаты, алюминаты, алюмосиликаты и сульфиды.

Силикатную группу составляют минералы:

метасиликат кальция (CaO·SiO2);

ортосиликат кальция (2CaO·SiO2);

ранкинит (3CaO·2SiO2);

монтичеллит (CaO·MgO·2SiO2);

клиноэнстатит MgO·SiO2 (MgO·SiO2);

окерманит (2CaO·MgO·SiO2).

Алюмосиликатные фазы представлены минералами:

геленит (2CaO·Al2O3·SiO2);

анортит (CaO·Al2O3·2SiO2);

силиманит (Al2O3·SiO2);

муллит (3Al2O3·2SiO2).

Алюминаты кальция присутствуют в доменном шлаке в виде:

3CaO·Al2O3;

5CaO·3Al2O3;

CaO·Al2O3;

геденбергит (CaO·FeO·2SiO2);

ольдгамит CaS (CaS).

В процессе охлаждения шлаков образуются также изоморфные смеси и стекловидная фаза. Примером изоморфизма является образование CS и C2S (псевдоволластонит, волластонит). Полиморфизм C2S имеет 5 различных модификаций. Из них наиболее изучены C2S (ларнит), C2S и C2S.

В каждой группе шлаков (основные, кислые, нейтральные) присутствуют наиболее характерные для нее минералы.

Наличие силикатной и алюминатных фаз в шлаках характеризует их как материал, близкий по составу к цементному клинкеру и, следовательно, способный обладать вяжущими свойствами.

На активность и свойства шлаков влияет способ их охлаждения, определяющий разную степень кристаллизации расплава. По скорости охлаждения доменные шлаки делятся на медленноохлажденные (отвальные с кристаллической структурой) и быстроохлажденные (гранулированные со стекловидной структурой). Основные шлаки при медленном охлаждении представляют собой плотную, хорошо закристаллизованную структуру. В процессе охлаждения высокоосновных шлаков часто наблюдается явление полиморфизма, сопровождающееся рассыпанием шлака в тонкий порошок, причиной чего является переход C2S в модификацию (так называемый силикатный распад).

Быстрое охлаждение расплава шлака при воздействии на него водой или струей воздуха или пара приводит к дроблению материала под воздействием резкого охлаждения. Этот процесс называется грануляцией.

В результате грануляции шлак приобретает стекловидную структуру, находится в неустойчивом состоянии и при активации проявляет вяжущие свойства.

Вяжущие свойства доменных шлаков связаны с химическим и минералогическим составами, определяющими их структурные особенности. В шлаках с МO = 1 содержится примерно 50…70 % кристаллитов, а высокоосновные шлаки с МO = 1,3 вообще нельзя получить в стекловидном состоянии. И наоборот, в кислых шлаках со значительным количеством глинозема, имеющих высокую вязкость расплава, даже при медленном охлаждении фиксируется главным образом стекловидная структура.

По современным представлениям, шлаковое стекло не является аморфным, полностью изотропным веществом, как полагали раньше, представляя его в виде затвердевшей бесструктурной жидкости. В действительности стекло характеризуется микронеоднородностью.

В соответствии с ионной теорией, жидкий шлак – это микронеоднородный расплав, состоящий из простых катионов (Ca2+, Mg2+, Na+, Mn2+ и другие катионы-модификаторы), анионов кислорода и серы, а также устойчивых комплексных анионов. Последние возникают при взаимодействии атомов кремния, алюминия, фосфора и других, так называемых стеклообразующих катионов с атомами кислорода, которые связываются с первыми ковалентными связями.

Комплексные анионы вида (SiO4)4-, (AlO4)5- и т.д. представляют собой тетраэдр, в углах которого находятся центры атомов кислорода. В центре же тетраэдра между четырьмя атомами кислорода расположен атом кремния или алюминия. Своими свободными кислородными связями комплексные анионы могут взаимодействовать как друг с другом, так и с катионами-модификаторами. Например, тетраэдры (SiO4)4– могут образовывать политетраэдрические цепи типа [(SiO3)2–]n, [(Si2O5)2–]n и т.п. В них кремнекислородные тетраэдры могут замещаться тетраэдрами (AlO4)5– и др. Катионы-модификаторы и комплексные силикатные анионы общей формулой (SixOy)z- образуют группировки, встречающиеся в расплавах.

Эти сложные образования по своему строению приближаются к соответствующим кристаллическим веществам, например к Ca2SiO4, CaSiO3 и др.

Наибольшей активностью характеризуются группы, состоящие из простейших анионов (SiO4)4–, (AlO4)5–, разобщенных катионами кальция, как в структуре ортосиликата. Образованию ортосиликатовой структуры способствует присутствие в расплаве магния. Нарушает эту структуру, снижая активность групп, наличие марганца.

С повышением температуры расплава происходит разрыв связей, группировки ионов становятся более мелкими и менее упорядоченными по строению и вместе с тем более реакционноспособными вследствие термодинамической неустойчивости. Подобные микронеоднородные ионные группы в шлаковых расплавах при быстром охлаждении могут быть в той или иной степени зафиксированы в шлаковом стекле (гранулированные шлаки), а при достаточно медленном охлаждении из этих групп могут путем некоторой перегруппировки и агрегации образоваться кристаллические фазы затвердевшего шлака.

В стеклах химический состав смежных полимерно-кристаллитных областей подвержен колебаниям. Так, в шлаковых стеклах с МО > содержание упорядоченных участков (кристаллитов) достигает 50…70 %.

Между этими участками размещаются собственно аморфные прослойки.

Шлаковые стекла, как и всякое стекло, не имеют определенной температуры плавления; при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние. Находясь в термодинамически неустойчивом состоянии, они проявляют способность кристаллизоваться. Однако кристаллизация тормозится высокой вязкостью при обычных температурах и малой подвижностью крупных анионных радикалов; поэтому при обычной температуре шлаковые стекла сохраняются в термодинамически неустойчивом состоянии неопределенно долгое время.

Некоторые основные доменные шлаки обладают самостоятельными гидравлическими свойствами, но медленно твердеют в обычных условиях.

Большинство же шлаков даже при самом благоприятном химическом составе (ни быстроохлажденные остеклованные, ни тем более медленноохлажденные закристаллизованные шлаки) при температуре до 15…25 С почти не проявляют активности во взаимодействии с водой и, следовательно, не твердеют.

Однако в доменных шлаках как в кристаллической, так и в стекловидной фазе имеются составляющие, способные при раздельном или совместном воздействии на них механических, химических и тепловых факторов к взаимодействию с водой и гидравлическому твердению, которое обусловлено образованием новых нерастворимых в воде веществ.

Многочисленными исследованиями доказана возможность резко активизировать гидравлические свойства шлаков путем введения различных добавок – активаторов и использования интенсивной тепловлажностной обработки.

Явная или потенциальная гидравлическая активность шлаковых фаз убывает в ряду минералов:

- алюмоферриты кальция;

- -2СаО·SiO2;

- основное шлаковое стекло;

- мелилит;

- -2СаО·SiO2;

- мервинит;

- монтичеллит;

- низкоосновные алюмосиликаты и силикаты кальция:

- анортит;

- ранкинит;

- псевдоволластонит;

- фаялит;

- пироксены.

Поэтому ценность шлака (или золы) тем выше, чем больше в нем гидравлически активных фаз. Поскольку у стекловидных шлаков гидравлическая активность повышена, доменные шлаки, предназначенные для изготовления вяжущих веществ, гранулируют путем быстрого охлаждения их водой, паром или воздухом.

Грануляция шлака производится мокрым, полусухим или сухим способом. При мокром способе шлак из шлаковозного ковша тонкой струей по желобу выливается в бассейн, наполненный водой. Здесь шлак быстро охлаждается и застывает в виде зерен, которые имеют пористое строение, получающееся в результате действия пара. Для более сильной грануляции шлака, т.е. образования возможно более мелких зерен, иногда параллельно струе расплавленного шлака в желоб подают под давлением струю холодной воды. В бассейне, где происходит охлаждение шлака, вода непрерывно обменивается насосами. При полусухом способе грануляции в желоб, по которому стекает шлак, подается под давлением 4…5 атм небольшое количество воды. В процессе охлаждения шлака вода превращается в пар, вспучивающий шлак. Полуостывшая, но еще вязкая шлаковая масса из желоба стекает на вращающийся барабан с лопастями, которые дробят эту полурасплавленную массу и отбрасывают ее частицы на расстояние 20…25 м. В воздухе частицы шлака охлаждаются (рис. 1.5). При сухом способе грануляции струю шлака раздробляют сжатым воздухом.

Рис. 1.5. Барабанная установка для полусухой грануляции шлака:

1 – шлаковозный ковш, 2 – приемная ванна, 3 – желоб, 4 – вращающийся барабан, 5 – гранулированный шлак На металлургических заводах применяют два способа грануляции шлаков – мокрый и полусухой. При мокром способе грануляции огненножидкие шлаки сливают из шлаковозных ковшей в бассейн с водой.

Бассейные установки – прямоугольные бетонные резервуары объемом 450…800 м3 – размещают вблизи доменных печей. При соприкосновении струи расплавленного шлака с водой происходит мгновенное его охлаждение, причем под воздействием образующегося пара и выделяющихся из шлака растворенных газов масса распадается на мелкие зерна-гранулы размером до 5…10 мм. При мокрой грануляции на 1 т шлака расходуется 2,0…2,5 м3 воды. Из бассейнов шлак подают в вагоны и другие транспортные средства с помощью грейферных мостовых или портальных кранов, экскаваторов, скреперных лебедок и т.п.

Существенным недостатком мокрого способа получения шлака является его высокая влажность (20…30 %), вследствие чего существенно увеличиваются топливные затраты на процесс сушки (до 82 кг условного топлива на 1 т сухого шлака) и снижается производительность при работе со шлаком.

Наиболее эффективным способом грануляции шлака является сухой способ. Его осуществляют в барабанных, гидроударных, гидрожелобных и других установках. Наиболее эффективны гидрожелобные установки. Их преимущественно применяют при грануляции шлаков вне доменного цеха.

Для снижения количества воды используют водовоздушную грануляцию: к гидрожелобу через сопло вентилятором высокого давления подают воздух. Расход воды на таких установках около 1,5 м3 на 1 т шлака;

влажность гранулированного шлака 5…7 %.

Доменные шлаки являются хорошим сырьем для производства различных изоляционных и строительных материалов, в том числе цемента. В связи с этим они подвергаются грануляции, способы которой разделяются на сухой, воздушный, полусухой и мокрый. По месту производства она может быть внедоменной и припечной. Припечная грануляция шлака получила развитие в отечественном производстве при строительстве мощных доменных печей и считается в настоящее время наиболее рациональным видом переработки шлака. Она исключает из эксплуатации парк шлаковозных ковшей, что значительно упрощает организацию и удешевляет производство. В настоящее время внедоменная грануляция сохраняется только для печей постройки 1930–60-х годов.

Широко применяют водоструйную грануляцию путем рыхления шлака струями воды в желобах через специальные насадки с давлением 7-8 атм и расходом воды до 3 м3/т шлака. Желоба делают длиной до 10 и шириной примерно 0,8 м с уклоном 3°. Пропускная способность до 3,5 т/мин.

Современные доменные печи с круглыми литейными дворами оборудуют двумя гранустановками, по одной на каждые две чугунные летки.

Установки обслуживают общей воздуходувной станцией, системой конвейеров и складским хозяйством. Каждая установка имеет две технологические линии, из которых одна – резервная. Схема установки приведена на рис. 1.6. Шлак из доменной печи, стекая по желобу 4 на поток воды гранулятора 3, дробится и, попадая в бункер-отстойник 2, охлаждается. Образующийся при этом пар отводится по трубе 7. Уровень воды в бункере 2 постоянный, так как излишек отводится в камеру оборотной воды 1, откуда эрлифтом 5, состоящим из воздуховода, воздушной насадки, подъемной трубы, сепаратора, напорного бака и трубы для сброса отработанного воздуха и излишков воды, подается вновь на грануляцию. Под действием воздуха, который поступает по трубе 12, шлак из колодца 14 эрлифтом 13 перекачивается (при отношении твердого к жидкому 1:2) в сепаратор и далее самотеком поступает в обезвоживатель карусельного типа, состоящий из 16 секций с сетчатыми днищами. Обезвоживатель вращается, и каждая секция последовательно заполняется пульпой, вода из которой отфильтровывается через сетчатое днище, после чего шлак разгружается в бункер сушки 9. Отфильтрованная вода переливается в кольцевой водосборник 10, откуда поступает в отстойник 2. Шлак в бункере 9 имеет температуру около 90 °С. Дополнительное снижение влажности и температуры достигается продувкой шлака в бункере воздухом, после чего обезвоженный и охлажденный шлак выгружается на транспортер 11 и подается на склад или загружается в вагоны. Отработанный в эрлифте и бункере сушки воздух удаляется через трубу в атмосферу.

Рис. 1.6. Технологическая схема припечной грануляции шлака В 1994 г. введена в эксплуатацию первая в России малогабаритная установка придоменной грануляции шлака (МГУПГШ), построенная по проекту ОАО «Гипромез» для доменной печи № 3 АК «Тулачермет».

МГУПГШ в составе двух независимых технологических линий (одна – рабочая, другая – резервная) занимает в плане площадь 2416,5 м. Данная установка примерно в 3 раза меньше, чем построенные и эксплуатируемые в настоящее время установки на доменных печах HЛMK, Северсталь, Криворожсталь, а также на заводах в Дунгапуре (Индия) и Бокоро (Китай).

Этой установке не требуется заглубление для бассейна с водой, достигающее 15 м на типовых установках. За счет высокого давления воды и других новых конструктивных элементов МГУПГШ позволяет перейти на 100 % придоменную переработку шлака практически любого состава.

Это полностью исключает вывоз шлака в отвалы и позволяет отказаться от парка шлаковозных ковшей. В 1998 г. введен в эксплуатацию комплекс с тремя МГУПГШ на доменной печи № 3 объемом 2560 м3 Тянь-Шаньского металлургического комбината (Китай). В настоящее время весь шлак этой печи полностью гранулируется на МГУПГШ без использования шлаковозных ковшей. Придоменная установка шлака позволяет сократить неорганизованные выбросы в атмосферу соединений серы.

Основные направления применения доменных шлаков в области производства вяжущих веществ:

- добавки к клинкеру при производстве шлакопортландцемента;

- в качестве компонента сырья для производства портландцемента;

- при производстве шлаковых вяжущих с добавкой активаторов;

- при изготовлении вяжущих веществ автоклавного твердения;

- при получении шлакощелочных вяжущих;

- в качестве компонента минерально-щелочных и геополимерных вяжущих.

Основной потребитель шлаков – цементная промышленность, которая использует значительные объемы гранулированных доменных шлаков для производства шлакопортландцемента – разновидности цемента, в состав которого входит от 21 до 60 % шлака. Доменный шлак может использоваться в производстве гипсошлаковых блоков для малоэтажного строительства, а также при изготовлении быстротвердеющего шлакопортландцемента, обладающего повышенной антикоррозионной стойкостью, прочностью. За рубежом шлак наряду с золой-уносом широко применяется для опытно-промышленного производства геополимерных вяжущих и бетонов на их основе.

Сталеплавильные шлаки образуются в процессе переработки чугуна в сталь. Объемы получения этих отходов сравнительно невелики, так как количество шлаков не превышает 10 % от массы выплавленной стали. К сталеплавильным относятся ваграночные, мартеновские и конверторные шлаки, которые подразделяются на основные и кислые, а также на первичные и конечные (вторичные).

В России сталь плавят главным образом мартеновским способом, при котором побочным продуктом являются мартеновские шлаки. Эти шлаки не гранулируются, а сливаются в отвалы, где они медленно остывают и практически полностью кристаллизуются, при этом почти не содержат стекла. Фазовый состав мартеновских шлаков очень сложен, что обусловлено большим разнообразием сырьевых материалов, включающих легирующие добавки, раскислители и т.д. Химический состав сталеплавильных шлаков некоторых предприятий представлен в прил. А, табл. 2.

Сталеплавильные шлаки характеризуются повышенным содержанием CaO, так как при переработке чугуна в сталь в состав шихты добавляется известь, которая в процессе обжига переходит в шлак, синтезируя новообразования. Это является причиной более высокой основности мартеновских шлаков в сравнении с доменными.

Благодаря высокой прочности, низким значениям пористости и водопоглощения, инертности, мартеновские шлаки обычно используют в виде щебня и песка при изготовлении высокопрочных тяжелых бетонов и при строительстве дорог.

Минералогический состав конверторных шлаков сложен и включает:

белит -C2S, монтичеллит CaO·RO·SiO2 (где R – Fe, Mg, Mn), периклаз (MgO), ферриты кальция 2CaOFe2O3, алюмоферриты кальция 4CaO·Al2O3·Fe2O3, мервинит 3CaO·MgO·SiO2, силикокарнотит 5CaOxP2O5·2CaO·SiO2, фторапатит 3(CaO·P2O5)·CaF2, магнезиальная шпинель MgO·Al2O3, ольдгалит CaS, троилит FeS. Из них преобладают фазы: мервинита – 42, белита – 12 и шпинели – 1…2 %. Первичные мартеновские шлаки имеют МО = 1…2, а конечные – 2…4.

В конверторных шлаках за счет повышенной основности (С:S=3) может содержаться до 10 % 3CaO·SiO2 и до 30 % 2CaO·SiO2, 35 % ферритной фазы и 22 % оксидов MgO, MnO и FeO, свободная известь. Минералогический состав сталеплавильных шлаков близок к составу минералов портландцементного клинкера; поэтому сами шлаки при определенных условиях обладают вяжущими свойствами и могут служить сырьем для производства различных вяжущих веществ.

Шлаки ферросплавных производств, несмотря на возможность широкого применения, пока не получили широкого распространения.

Наибольшее количество производимых ферросплавов приходится на долю ферросилиция, ферромарганца, феррохрома и ферроникеля. Выход шлаков для этого производства составляет 6…10 % от массы ферросплава.

Так, только на Актюбинском комбинате ферросплавов направляется в отвалы около 360 тыс. т шлаков в год, из них 210 тыс. т отходов производства рафинированного феррохрома, представляющих собой пылевидные, саморассыпающиеся материалы. Феррохромовые шлаки состоят в основном из C2S - и -модификации, имеют до 10 % железохромовой шпинели, незначительное количество мервинита, периклаза и хромита кальция.

Химический состав некоторых видов ферросплавных шлаков приведен в прил. А, табл. 7.

Некоторые ферросплавные шлаки содержат большое количество ценных сплавов и оксидов (например, MnO до 18 %, Cr до 15 %), и поэтому их целесообразно применять как оборотный продукт для переплавки и доизвлечения ценных металлов.

Многие шлаки по химико-минералогическому составу близки к портландцементному и глиноземистому клинкеру и обладают вяжущими свойствами.

Благодаря высокому содержанию CaO в некоторых ферросплавных шлаках обнаруживается C2S в - и -форме; шлак подвержен силикатному распаду, при этом образуется тонкодисперсный порошок C2S с удельной поверхностью до 200 м2/кг. Подобные шлаки активны и проявляют вяжущие свойства в процессе тепловлажностной обработки, что позволяет считать их сырьем для производства безобжиговых вяжущих веществ автоклавного твердения. Так, известно использование шлаков производства рафинированного феррохрома в качестве минерального порошка – заполнителя битумных замазок, мастик, асфальтобетона и силикатных автоклавных изделий.

Шлаки цветной металлургии. Ежегодно в цветной металлургии образуется до 10 млн т шлаков, уровень использования которых не превышает 15 %. В значительной мере это объясняется тем, что в шлаках цветной металлургии содержатся ценные компоненты, извлечение которых в настоящее время пока не рентабельно, но в будущем, когда будут разработаны более совершенные металлургические технологии, из некоторых шлаков возможно выделение редких металлов.

В общем выходе шлаков цветной металлургии примерно половину составляют гранулированные шлаки никелевого производства, третью часть – отвальные медеплавильные, а остальные шлаки представлены гранулированными медеплавильными и полиметаллическими, а также отвальными полиметаллическими.

По составу и свойствам шлаки цветной металлургии существенно отличаются от шлаков черной металлургии. Для производства многих цветных металлов основным сырьем служат сульфидные руды, содержащие значительное количество железа. В них сравнительно мало оксидов кальция и магния, зато часто присутствуют примеси серы, цинка, свинца, никеля, кобальта и некоторых редких металлов.

По химическому составу эти шлаки отвечают поликомпонентной силикатной системе СаО – MgO – FeO – Fe2O3 – Al2O3 – SiO2 с примесями TiO2, Cr2O3, MnO, Na2O, K2O, составляющими в сумме до 25 %. Общим для них является высокое содержание кремнезема, оксидов железа и магния. Минералогический состав шлаков представлен преимущественно соединениями пироксенового (диопсидового) состава.

Оценка гидравлических свойств гранулированных шлаков цветной металлургии производится с помощью критерия качества Кк, %, который определяют по формуле В зависимости от критерия качества и химического состава шлаки цветной металлургии подразделяются на сорта, приведенные в табл. 1.2.

Технические требования к гранулированным шлакам цветной металлургии

I II III

Массовая доля, % В промышленно развитых странах шлаки обычно используются в технологии строительных материалов после извлечения из них редких металлов. Наиболее перспективны шлаки никелевого производства, которые не содержат этих элементов в достаточных количествах.

Никелевые шлаки по химико-минералогическому составу представляют особую группу. Особенности минералообразования в никелевых шлаках состоят в выделении разновидности магнезиально-железистых пироксенов – клиноферросимита (богатого FeSiO3) твердого раствора ряда MgSiO3 – FeSiO3. Кроме пироксенов в шлаках встречаются сульфиды (в основном пирротин Fe1–xF), периклаз MgO, магнетит FeO·Fe2O3, хромовая шпинель (Fe+2, Mg)·(Fe+3, Cr, Al)2O3. Суммарное содержание минералов в шлаке не превышает 5…6 %, преобладающей фазой является стекло магнезиально-железистого состава (90…95 %). Эти шлаки относятся к категории кислых с низким модулем основности (от 0,14 до 0,45) и содержат 20…40 % оксидов железа, что определяет их свойства и ограничивает применение в качестве вяжущих веществ.

Химический состав некоторых видов никелевых шлаков представлен в прил. А, табл. 4.

Кислый характер шлаков требует обогащения их недостающими компонентами, главным образом CaO, в результате чего усиливается возможность образования силикатной фазы за счет взаимодействия CaO с кремнеземом шлака. Таким образом, никелевые шлаки являются сырьем для производства смешанных вяжущих веществ (автоклавного твердения), а также могут быть использованы в качестве заполнителей для бетонов (дробленые отвальные и гранулированные шлаки).

Никелевый шлак с размером частиц 0,1…3,5 мм используется для абразивоструйной очистки. Такой абразив имеет ряд преимуществ в сравнении с кварцевым песком. Дисперсный шлак применяется в качестве шлифовального порошка.

Медеплавильные шлаки относятся к категории высокожелезистых с низким содержанием основных оксидов. Эти шлаки бывают как гранулированными, так и отвальными. Отвальные шлаки представлены минералами группы пироксенов (диопситгеденбергит), фаялитом. Около 30 % этих минералов находится в стекловидной фазе. В гранулированных шлаках преобладает шлаковое стекло, а кристаллические фазы (пироксены, фаялит) занимают второстепенное положение.

Все шлаки медеплавильных производств относятся к категории кислых с низким МО (прил. А, табл. 5), самостоятельными вяжущими свойствами не обладают, но могут служить сырьем для вяжущих веществ автоклавного твердения при введении в них соответствующего активатора.

Медеплавильный шлак, как и никелевый, применяется в качестве абразива для различных видов абразивной обработки поверхностей.

Микрокремнезем. При производстве кристаллического кремния, ферросилиция, ферросиликохрома, силикомарганца, феррохрома и других кремнистых сплавов образуются пылевидные отходы. Количество пыли, улавливаемой от печи средней мощности, достигает в среднем 1 т/ч. Эта пыль, собранная в электрофильтрах и характеризуемая высоким содержанием SiO2 (как правило, 84…98 %), называется «микрокремнезем». В России, Казахстане и Украине заводы по производству ферросплавов и кристаллического кремния ежегодно дают около 100…120 тыс. т микрокремнезема, что составляет примерно четверть объема, улавливаемого системами газоочистки на всех аналогичных производствах в мире.

Микрокремнезем – тончайшая пыль от светло-серого до темно-серого цвета, состоящая из рыхлых агломератов. Это супердисперсный (средний размер частиц составляет 0,1…0,2 мкм) материал с Sуд = 2 500…3 500 м2/кг, с весьма малой насыпной плотностью (125…450 кг/м3). Частицы микрокремнезема имеют гладкую поверхность и сферическую форму. Основным компонентом отхода является диоксид кремния в аморфной форме.

В табл. 1.3 представлены основные физические характеристики микрокремнезема, а в табл. 1.4 – его химический состав на различных металлургических предприятиях России.

Уникальные свойства микрокремнезема позволяют активно применять его при изготовлении самых различных строительных материалов. Сегодня во всем мире с использованием этого отхода производятся сухие строительные смеси, пенобетон, тяжелый бетон, резина, керамика, пластмассы, красители, стекло, облицовочные материалы и черепица, огнеупорные массы и жидкое стекло.

Основные физические свойства микрокремнезема ферросплавы Челябинский электрометаллургический 24,6 0,30 0,24 2, комбинат ферросплавов алюминиевый завод электрометаллургический ферросплавов Микрокремнезем находит применение в мостостроении, дорожном строительстве, при возведении жилых и производственных объектов, плотин и дамб, буровых платформ и скважин, коллекторных трасс и т.д.

Топливные шлаки и золы. Одним из наиболее перспективных отходов с точки зрения использования в технологии строительных материалов являются золы и шлаки, образующиеся при сжигании твердого топлива: каменного и бурого угля, горючих сланцев и др. Эти виды топлива состоят из органического и минерального вещества, при их сжигании остается не только минеральный компонент. В условиях непродолжительного процесса горения в топливе иногда остается значительное количество органического вещества в виде закоксованных включений.

Ежегодно на угольных электростанциях образуется несколько десятков миллионов тонн золошлаковых отходов в год. С учетом того что доля электроэнергии, выработанной за счет сжигания угля, будет увеличиваться, производство этого побочного продукта будет возрастать.

В промышленно развитых странах золошлаковые отходы используются на 70…90 %. В России доля утилизируемых отходов от сжигания угля не превышает 6...8 %. Это привело к тому, что сейчас в золоотвалах накопилось около 1,5 млрд тонн отходов. Эти отходы образуются в результате сжигания твердого топлива в дисперсном виде. Уголь на тепловых электростанциях измельчают в шаровых мельницах и в виде водной суспензии подают в топку (факельное сжигание). При сгорании частиц топлива во взвешенном состоянии образуются сферические частицы золы-уноса, которые выносятся из топки и осаждаются в системе золоулавливания. При высоких температурах (1200…1600 С) органическая часть угля в основном сгорает, переходя в газообразное состояние.

Минеральная часть, содержание которой с угле может достигать 40 % и более, образует золу и шлак. При высокой температуре происходит оплавление частиц золы, в результате они слипаются, оседают на дно топки и образуют шлак.

Минеральная часть твердого топлива обычно включает глинистые минералы, слюды, кварц, полевые шпаты, сульфиды железа, оксиды и гидроксиды железа, карбонаты кальция, магния и др. При обжиге минеральной части топлива дегидратируется глинистое вещество и образуются низкоосновные алюминаты и силикаты кальция.

Зерна кварца, находящегося в топливе, при сжигании почти не изменяются. Происходит лишь их растрескивание и оплавление. Значительно сильнее оплавляются зерна полевых шпатов. Карбонаты кальция и магния разлагаются на СО2 и СаО или MgO и т.д. При характерных условиях для сжигания угля в топках электростанций образуются формы СаО и MgO, которые очень медленно взаимодействуют с водой, что может привести к снижению прочности вяжущих с добавкой золы.

Объемы образования зол-уноса и шлаков на некоторых электростанциях достигают нескольких миллионов тонн в год. За год на электростанциях России образуется более 40 млн т этих отходов.

Золошлаковые отходы обычно удаляются с электростанций системой гидрозолоудаления и в виде пульпы перекачиваются в золоотвалы. В настоящее время в золоотвалах накоплены колоссальные объемы отходов, которые не находят применения. Большинство золоотвалов создают определенные экологические проблемы, которые связаны с высокой дисперсностью золы: при высыхании они пылят, а при воздействии на них атмосферных осадков и грунтовых вод из золы могут вымываться опасные для окружающей среды вещества, включая соединения тяжелых металлов.

В нашей стране используется лишь небольшая часть образующихся золошлаковых отходов. Более 98 % от утилизируемых отходов используется в строительной индустрии. Однако, как показывает опыт западноевропейских стран, большая часть золы и шлака может быть использована в качестве сырья в различных технологиях, основными из которых являются строительство дорог, производство различных видов вяжущих и бетонов.

Зола – это уникальный материал, перспективность применения которого в производстве строительных материалов определяется следующими факторами:

после высокотемпературного воздействия материалы золы могут проявлять вяжущие или пуццоланические свойства;

высокая дисперсность золы обеспечивает ее высокую реакционную способность;

частицы золы имеют сферическую форму (рис. 1.7а), что снижает водопотребность золы;

затраты энергии на доизмельчение золы ниже по сравнению с цементом или шлаком, что обусловлено пустотной или пористой структурой зерен золы (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Изображение частиц золы-уноса, полученное Зола-унос представляет собой частицы преимущественно аморфного стекловидного состава. Обычно частицы золы имеют сферическую форму с пустотами внутри (рис. 1.7б). Диаметр этих частиц находится в интервале от 5 до 200 мкм.

Для извлечения золы из дымовых газов на электростанциях применяют различные золоуловители: циклоны, мокрые золоуловители (скрубберы), электрофильтры.

В циклонах используется центробежная сила, развивающаяся при вращательно-поступательном движении газового потока. Под действием центробежной силы частицы золы отбрасываются к стенке циклона, теряют кинетическую энергию и выпадают в бункер. Циклоны хорошо задерживают крупные фракции золы, а мельчайшие – плохо. Они улавливают 50…80 % золы. Для повышения эффективности очистки газов циклонные элементы уменьшают в диаметре и объединяют в батарейные циклоны.

Степень улавливания золы в скрубберах составляет 80…95 %. Дымовые газы подводятся к ним так же тангенциально, как и к циклонам.

Внутренние стенки скруббера омываются водой. Частицы золы, отбрасываемые к стенкам центробежной силой, стекают вместе с водой вниз в систему гидрозолоудаления.

Высокую степень очистки газов от золы (99…99,5 %) обеспечивают электрофильтры, работающие на постоянном электрическом токе высокого напряжения (40…70 кВ). В камере электрофильтра на строго определенном расстоянии друг от друга установлены осадительные и коронирующие электроды. При подаче на них высокого напряжения возникает коронный разряд. Частицы золы заряжаются и оседают на электродах, а очищенный газ выводится наружу. Осевшая на электродах зола непрерывно или периодически стряхивается и попадает в бункер электрофильтра. Для повышения эффективности очистки газа устанавливают несколько ячеек (полей) из электродов.

Из бункеров золоуловителей золу удаляют двумя основными способами: гидравлическим; пневматическим. Простой и надежный гидравлический способ используют на подавляющем большинстве электростанций. Он позволяет перемещать золошлаковые отходы на расстояние 5…10 км от электростанции и совмещать гидротранспортирование и грануляцию шлака. Недостаток этого способа – большой расходы воды.

На ТЭС в основном используется совместное гидротранспортирование, при котором удаляемая из котельных помещений золошлаковая смесь гидравлическим способом направляется в золоотвалы. Выбрасываемая из жерла трубопровода шлакозольная пульпа распределяется по площади отвала неравномерно: более крупные частицы оседают ближе к месту выброса, а более мелкие уносятся дальше, образуя зольную зону отвала.

Таким образом, наблюдается различный гранулометрический (зерновой) состав золошлаковой смеси по площади отвала. Неоднородность по зерновому составу вызывает и некоторую неоднородность химического состава, что ухудшает свойства золошлаковых отходов как сырья для производства строительных материалов и затрудняет их использование.

Реже зола удаляется пневматическим способом (рис. 1.8). Золу, полученную таким способом, проще использовать в производстве строительных материалов. Этот способ более экономичен: капитальные затраты на удаление и складирование 1 т золошлаковых отходов почти в два раза меньше по сравнению с гидравлическим способом. Однако в нашей стране этот способ не получил широкого распространения.

1 – вакуум-насос; 2 – пневмовинтовой насос; 3 – электродвигатель;

4 – бункер-накопитель; 5 – водопровод вакуумный; 6 – осадительная камера;

7 – дымовая труба; 8 – дымосос; 9 – пневматические задвижки;

10 – электрофильтры; 11 – золосборники; 12 – котел ТЭС; 13 – шламопровод на отвал золы и шлама; 14 – силосный склад золы; 15 – отгрузка золы на железнодорожном и автотранспорте; 16 – трубопровод сжатого воздуха; 17 – водопровод напорный; 18 – компрессорная Классификация золошлаковых отходов. С целью более рационального использования золошлаковых материалов их классифицируют по различным признакам. Из-за непостоянства состава и свойств этих материалов еще не создано единой их классификации, которая охватывала бы все признаки. Поэтому ниже будет рассмотрено несколько классификаций, применяемых в строительстве.

По физическому состоянию все золошлаковые материалы могут быть представлены:

а) шлаком – продуктом спекания и оплавления наиболее легкоплавкой части золы с размером кусков до 15…25 см. В большинстве случаев шлак имеет малопористую стекловидную структуру. При сжигании бурых и смешанных каменных углей образуются пористые шлаки ячеистой структуры;

б) золой – техногенным отходом, образующимся на тепловых электростанциях в результате сжигания углей в пылевидном состоянии, с частицами размером менее 0,315 мм пористой структуры. Это тонкодисперсная масса с удельной поверхностью от 80 до 500 м2/кг;

в) золошлаковыми смесями (ЗШС) – техногенными отходами, образующимися при совместном гидроудалении золы и шлака.