Мелкозернистые композиционные материалы на основе вяжущих из отходов металлургической промышленности

Актуальность работы. Современная тенденция развития строительной индустрии направлена на широкое использование в производстве материалов техногенного сырья, в частности отходов металлургии. Это связано со стремительным сокращением запасов разведанного природного сырья и усиливающейся антропогенной нагрузкой на окружающую среду. Такой подход к решению задачи выдвигает на новый уровень проблему расширения номенклатуры и объемов использования технологических отходов производств в промышленности строительных материалов. Многолетние исследования и методы утилизации отходов в металлургии в основном связаны с получением строительных материалов на основе доменных шлаков.

Отходы производственных комплексов металлургических предприятий являются источниками экологического неблагополучия в регионах. В настоящее время на металлургических предприятиях страны в отвалах по разным подсчетам содержится порядка 500−550 миллионов тонн твердых технологических отходов, основная доля которых приходится на шлаки, содержащие более 15 млн. тонн мобильного металла. Площадь, занимаемая шлаковыми отвалами, составляет десятки тысяч гектаров и ежегодно увеличивается на 100−120 гектаров. При этом гектар шлаковых отвалов способен наносить вред соседним землям в радиусе, как минимум, 5 гектаров. Кроме того, на шлаковые отвалы ежегодно вывозится более 1,0 млн. тонн металла в виде скардовин и корольков.

На сегодняшний день большинство из отправляемых в отвалы отходов остаются невостребованными, так как в силу разных причин не исследованы их свойства. Приносимый экологический ущерб и тоннажность большинства образующихся побочных продуктов металлургического производства выдвигает проблему их утилизации в ряд важнейших проблем для России. В связи с этим вопрос исследования свойств малоиспользуемых отвальных отходов металлургии является актуальным.

Целью работы является разработка вяжущих из малоиспользуемых отходов металлургического производства и получение на их основе оптимальных составов мелкозернистых композиционных материалов.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи исследований:

— выполнить анализ основных малоиспользуемых технологических отходов на предприятии ОАО «НЛМК», включая оценку динамики их образования и накопления в отвалах, а также объемов переработки и утилизации;

— выявить эффективность использования отходов металлургического производства в качестве компонентов вяжущих веществ;

— подобрать необходимые методы оценки свойств отходов металлургического производства и провести их комплексное исследование, установить особенности их структурообразования и оптимальные условия твердения;

— определить эффективные химические активаторы и способы активации исследуемых отходов с целью получения вяжущих веществ;

— разработать оптимальные составы мелкозернистых композиционных материалов на основе вяжущих из малоиспользуемых отходов и выбрать рациональную технологию их изготовления.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

— выполнены комплексные исследования отвальных конвертерных шлаков, микрокремнезема, отработанной формовочной смеси, в результате которых определены их структура, усредненные химический и минералогический составы, а также основные факторы, влияющие на их гидравлическую активность;

— с помощью метода сканирующей зондовой микроскопии по нанорель-ефу установлены зерна активного двухкальциевого силиката (3-модификации и их основные параметры;

— выявлены возможности улучшения вяжущих свойств переработанных отвальных конвертерных шлаков за счет их дополнительной механохимиче-ской активации;

— теоретически обоснована и практически подтверждена возможность использования переработанных отвальных конвертерных шлаков ОАО «НЛМК» в качестве вяжущих веществ;

— предложена методика расчета состава вибропрессованного бетона с учетом использования вместо портландцемента композиционного вяжущего на основе переработанных отвальных конвертерных шлаков ОАО «НЛМК»;

— предложена рациональная технология производства изделий из мелкозернистых композиционных материалов на основе вяжущих из переработанных отвальных конвертерных шлаков.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждены:

— использованием при исследованиях современных методов исследований и оборудования;

— корректностью постановки задач, принятых допущений, достаточным объемом исходных данных и результатов исследований;

— удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований;

— применением вероятно-статистических методов обработки результатов испытаний, а также удовлетворительным совпадением некоторых результатов экспериментов с данными других авторов.

Практическая значимость диссертационной работы. Использование мелкозернистого бетона на основе переработанных отвальных конвертерных шлаков ОАО «НЛМК» в производстве тротуарных плит позволило на 70% снизить расход цемента и привело к уменьшению себестоимости 1 м² изделий на 25%.

Результаты диссертационных исследований используются в учебном процессе Липецкого государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности 270 106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» в виде практических и лабораторных занятий по дисциплинам «Строительные материалы и изделия», «Технология бетона, строительных изделий и конструкций», «Химия отходов».

Составлены рекомендации по комплексной утилизации технологических отходов металлургического производства и использованию их в промышленности строительных материалов.

Внедрение результатов. Разработанный оптимальный состав мелкозернистого бетона с использованием композиционного вяжущего на основе переработанных отвальных конвертерных шлаков ОАО «НЛМК» был применен при производстве вибропрессованных тротуарных плит на заводе ООО «Тех-но-Серик» г. Липецк, в результате чего была снижена себестоимость 1 м изделий на 100,9 рубля.

Кроме того, при непосредственном участии автора на предприятии ООО «Техно-Серик» были разработаны составы мелкозернистых бетонов с использованием в качестве заполнителя песка из отсевов дробления известняка. Использованные отсевы — крупнотоннажный отход производства известнякового щебня на горнодобывающем предприятии ОАО «Стагдок» г. Липецк, являющемся дочерней компанией ОАО «НЛМК». Составы внедрены при производстве вибропрессованных безыскровых плит, предназначенных для устройства безыскровых полов газорегуляторных пунктов (ГРП) и на других объектах категории, А и Б по пожарной опасности. По результатам исследований составлены и внедрены в производство технические условия ТУ 5746−157 162 417−2007 «Плиты бетонные безыскровые».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», г. Белгород, 2005 г.- на научно-практической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре», посвященной 50-летию Липецкого государственного технического университета, г. Липецк, 2006 г.- на международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве SIB-2008. Современные проблемы строительного материаловедения и технологии», Воронеж, 2008 г.- на международной конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре», г. Липецк, 2009 г.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 7 статьях, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК РФ.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель зависимости прочное&tradeшлаковых композиционных вяжущих от влияющих на нее факторов.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, заключающиеся в:

— определении активности ряда крупнотоннажных малоиспользуемых технологических отходов металлургического производства ОАО «НЛМК»;

— выявлении зависимости между длительностью, условиями хранения конвертерных шлаков и их вяжущими свойствами;

— проведении комплексного исследования отвальных конвертерных шлаков ОАО «НЛМК»;

— определении эффективных активаторов и способов активации гидрата-ционной активности переработанных отвальных конвертерных шлаков;

3. Оптимальные составы мелкозернистых материалов на основе вяжущих из переработанных конвертерных шлаков ОАО «НЛМК».

4. Рецептура и технология производства вибропрессованных тротуарных плит из мелкозернистого бетона с использованием композиционного вяжущего на основе переработанных отвальных конвертерных шлаков ОАО «НЛМК».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы из 163 наименований. Диссертация изложена на 191 листе машинописного текста и включает 34 рисунка, 58 таблиц и 3 приложения.

1.4 Выводы.

1. Выполнен анализ научно-технической литературы, посвященной вопросам утилизации производственных отходов металлургических предприятий, в том числе их переработке в строительные материалы.

2. На примере Новолипецкого металлургического комбината (ОАО «НЛМК») дан обзор основных образующихся технологических отходов металлургического производства, освещены мероприятия, направленные на их переработку и утилизацию. Отмечено, что подавляющее большинство образующихся отходов, среди которых около 80% составляют сталеплавильные шлаки, ввиду их малой изученности на протяжении многих десятилетий сбрасывались в отвалы и шлакохранилища, при этом создавая непростую экологическую обстановку в регионе. Согласно полученным данным общая доля использования образующихся на предприятии отходов в производстве строительных материалов не превышает 40−50%), что в целом отражает общую ситуацию по стране.

3. К основным причинам недостаточного использования отходов металлургии в промышленности строительных материалов следует отнести еледующие: отсутствие на предприятиях в течение долгого периода инвентаризации и раздельного складирования разного рода технологических отходовнестабильность и различие в уровнях исследованности проявляемых ими свойствотсутствие специализированного технологического оборудования для переработки отходов и их подготовки к использованию в строительных материалах.

4. Учитывая накопленный опыт по использованию металлургических отходов в производстве строительных материалов, а также их схожесть по химико-минералогическому составу с природным сырьем, есть все основания полагать, что среди находящихся на сегодняшний день в отвалах ОАО «НЛМК» техногенных отходов, имеется значительное количество тех, которые при более тщательном изучении потенциально могут стать ценным вторичным сырьем для промышленности строительных материалов.

2 ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Характеристика материалов.

Портландцемент. При проведении исследований использовался портландцемент М 500-Д-0-Н (или М 400-Д-0-Н) производства Липецкого цементного завода без включений активных минеральных добавок, с нормированным составом клинкера и удовлетворяющий требованиям ГОСТ 10 178. Группа эффективности при пропаривании используемого цемента — первая. Кроме того, цемент показал равномерность изменения объема при испытании образцов кипячением в воде по существующей методике [64].

Фактические характеристики используемого цемента приведены в таблице 2.1.