Использование доменных шлаков в производстве гидравлических вяжущих, на основе ПЦ клинкера
Министерство образования и
Казанский государственный архитектурно - строительный университет
Кафедра ТСМИиК
Курсовая работа
На тему: «Использование доменных шлаков в производстве гидравлических вяжущих, на основе ПЦ клинкера».
Казань 2011
Содержание
Введение…………………………………………………………
- Шлаки и их свойства.………………………………………………….…
.…....5 - Доменные шлаки…………………………………...……………….……
...…..6
– химический
состав………………………………………………………...
– минералогический состав…………………………………………………8
– гидравлические свойства………………………………………………….8
- Технологическая схема производства. Грануляция доменных шлаков.......10
- Виды ПЦ клинкера на основе доменных шлаков........................
...................13
– шлакопортландцемент
………………....……………………..……........
– сульфатно-шлаковый цемент……………………………………………19
– известково-шлаковое вяжущее…………………………………….…....22
5. Заключение……………………………………………………
6. Список использованных литературных источников……………………….25
ВВЕДЕНИЕ
На производство одной тонны чугуна требуется в среднем 1,3 тонны железной руды , 0,75 тонны кокса, 0,25 тонны известняка и 4,0 тонны воздуха. Остальное - как мы можем видеть, остается в виде отходов, которые складируются в отвалах и приводят к загрязнению окружающей среды. Однако шлаки представляют собой весьма ценный продукт который можно и нужно использовать при производстве строительных материалов.
В начале 20 века производители чугуна начали искать возможные сферы применения доменного шлака – продукта, полученного вместе с чугуном в доменной печи в виде расплава. В 1908 году компания «Карнеги Стил» начала исследование возможных областей применения доменного шлака.
В 1911 году в отчете компании «Карнеги Стил» - «Использование доменного шлака в производстве бетона» впервые обосновано говорилось о возможности использовать доменный шлак в производстве бетона.
К 1917 году стало очевидно, что шлак является ценным продуктом, и что компаниям – производителям шлака стоит объединиться для более эффективного продвижения нового продукта.
За все время существования человечества доменный шлак прошел путь от использования в дорожном строительстве (в качестве агрегата) в Античном Риме до ценного строительного материала с разнообразными сферами применения в наше время. Сейчас шлак находит широкое применение в строительной индустрии, включая: производство гранулированного доменного шлака, смешанного (многокомпонентного цемента), гидравлических закладок, монолитного и конструкционного бетона, асфальтобетона, гранулированного заполнителя, минеральной ваты, кровельного материала, стекла, проведения оструктуривания почвы и много другого.
В целом в настоящее время перерабатывается около 84% доменных шлаков. Часть же шлака продолжает уходить в отвалы. Для складирования отходов и их хранения отчуждены тысячи гектаров полезных земель, на транспортировку шлака от доменных цехов до отвалов и их содержание ежегодно расходуется колоссальное количество денежных средств, загрязняется окружающая среда. Поэтому переработка шлака и его использование остается актуальной проблемой для экологии и всего агропромышленного комплекса.
Шлаки и их свойства
ШЛАК (от немецкого Schlacke) — металлургический расплав (после затвердения — камневидное или стекловидное вещество), обычно покрывающий поверхность жидкого металла. Формируется из пустой породы рудных материалов, из флюсов, золы кокса и т.д. Шлаками называют побочные продукты, получаемые при плавке черных и цветных металлов, сжигании твердых видов топлива, а также при электротермической возгонке фосфора.
Химический и минералогический состав шлаков в зависимости от состава пустой породы руды, топлива, вида выплавляемого металла и особенностей металлургического процесса, условий сжигания топлива и, наконец, условий охлаждения шлаков, колеблется в широких пределах. Многие разновидности металлургических, особенно доменных, шлаков по химическому составу приближаются к портландцементу и глиноземистому цементу. Поэтому проблема рационального использования этих дешевых побочных продуктов различных отраслей промышленности в производстве вяжущих веществ давно привлекает внимание исследователей и практиков.
До последнего времени для производства вяжущих веществ применялись лишь гранулированные доменные шлаки. В последние годы ученые установили возможность изготовления вяжущих вешеств также из передельных шлаков черной металлургии, некоторых шлаков цветной металлургии, а также из электротермофосфорных и топливных гранулированных шлаков.
Однако темой моей курсовой работы является использование доменных шлаков в производстве гидравлических вяжущих, на основе ПЦ клинкера, поэтому рассмотрим доменные шлаки поближе.
Доменные шлаки
Доменные шлаки являются продуктами взаимодействия флюсов (карбонатов кальция и магния) с пустой породой железной руды и золой кокса. Железные руды наряду с окислами железа содержат то или иное количество примесей (кварцевый песок, глина, карбонаты кальция и магния, соединения фосфора и серы и др.), называемые 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 из окислов железо, но и освободить его от примесей, вносимых с рудой и топливом.
Так как пустая порода в руде редко бывает легкоплавкой то для ее удаления в шихту вводят специальные добавки L- плавни (флюсы), способные образовывать с ней 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, причем образуются легкоплавкие силикаты и алюмосиликаты кальция и магния. При 1400—1500° С эти соединения плавятся и в виде шлакового расплава, скапливающегося вследствие меньшей плотности над слоем чугуна, выпускаются из доменной печи.
Химический состав доменных шлаков зависит от состава руды, плавней, вида применяемого топлива и выплавляемого чугуна (табл. 1).
Обычно в состав доменных шлаков входят окислы СаО, SiО2, A12O3, MgO, FeO и сернистые соединения CaS, MnS, FeS, а иногда TiО2 и соединения фосфора. В незначительных количествах встречаются в шлаках и другие окислы, существенно не влияющие на их свойства. Преобладающими в доменных шлаках являются СаО, SiО2, Al2О3 и отчасти MgO, суммарное содержание которых достигает 90—95%.
По химическому составу доменные шлаки отличаются от портландцементного клинкера лишь соотношением некоторых компонентов. Шлаки содержат повышенное количество кремнезема, частично глинозема и меньше окиси кальция.
В зависимости от коэффициента качества и химического состава шлаки разделяют на три сорта (табл. 2).
Стандартом не допускается в доменных гранулированных шлаках наличие плотных кусков и посторонних примесей. Химический анализ шлаков проводят по ГОСТ 5382-91.
Химический состав доменных шлаков. Окись кальция в доменных медленноохлажденных, закристаллизованных шлаках, как правило, полностью связана с кремнеземом и глиноземом в соединениях меньшей основности, чем в цементном клинкере, с образованием преимущественно двух-кальциевого силиката (2СаО • SiO2), ранкинита (ЗСаО • 2SiO2) псевдоволластонита α • CaO • SiO2 и мелининта (твердых растворов геленита 2CaO • Al2O3 • SiO2 и окерманита 2СаО • MgO • 2SiO2). Если окиси кальция больше 44—46%, то закристаллизованные шлаки приобретают склонность к силикатному распаду: куски и зерна шлака со временем самопроизвольно превращаются в порошок. Это явление обусловлено полиморфным превращением моноклинического β • 2CaO • SiO2 в ромбический γ • 2CaO • SiO2, происходящим при температуре ниже 525° С и сопровождающимся уменьшением плотности.
Минералогический состав и структура доменных шлаков. Структура и фазовый состав затвердевших шлаковых расплавов зависят от их химического состава, в частности от их основности и условий охлаждения.
При медленном охлаждении, например в отвалах, основные шлаки почти полностью успевают закристаллизоваться. Они представляют собой конгломерат различных устойчивых соединений в кристаллическом виде, сцементированных небольшим количеством оставшегося стекловидного вещества переменного состава. Расплавы кислых шлаков даже при медленном охлаждении из-за быстрого возрастания их вязкости кристаллизуются в незначительной мере и после отвердевания представляют собой вещество со стекловидной структурой. При быстром охлаждении водой, водяным паром или воздухом расплавы основных шлаков кристаллизуются не полностью и имеют смешанную структуру.
Гидравлические свойства доменных шлаков. Даже при самом благоприятном химическом составе ни быстроохлажденные остеклованные, ни тем более медленноохлажденные закристаллизованные шлаки при обычных температурах (до 15—25°С) почти не проявляют активности во взаимодействии с водой и, следовательно, не твердеют.
Однако, как показывают исследования, 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. В частности, геленит 2CaO • Al2O3 • SiO2, практически инертный при обычных температурах, под воздействием добавки в виде гидрата окиси кальция приобретает способность гидратироваться и давать при твердении в обычных условиях цементирующие новообразования в гелевидном состоянии типа гидрата геленита C2AS • 8H2O.
Окерманит — 2CaO • MgO • 2SiO2 — в нормальных условиях и в нейтральной среде неспособен к гидратации. Под воздействием же гидрата окиси кальция, особенно в условиях водотепловой обработки в автоклаве при тех же температурах, он гидратируется с образованием гидросиликатов кальция— С—S-H(II).
Минерал портландцементного клинкера β • 2CaO • SiO2 относительно медленно гидратируется и дает новообразования невысокой прочности.
Ранкинит 3CaO • 2SiO2 при очень тонком измельчении медленно гидролизуется и гидратируется в обычных условиях. При автоклавной обработке под давлением 1,5—4 МПа (200—250° С) с добавками Са(ОН)2 ранкинит взаимодействует с ним. Для улучшения вяжущих свойств в условиях автоклавной обработки к ранкиниту целесообразно добавлять окись кальция вместе с молотым кварцевым песком.
Ценность шлака или золы тем выше, чем больше содержание в них гидравлически активных фаз. При этом наличие определенного количества самостоятельно твердеющих фаз (C3S, алюмоферритов кальция, β • C2S или основного шлакового стекла) обусловливает возможность использовать такие шлаки (с активизаторами твердения или без них) для изготовления бетонов, твердеющих в нормальных воздушно-влажных условиях. Если же этих фаз нет или они наблюдаются в небольших количествах, то необходимо вводить активизаторы твердения и применять водотепловую обработку при 95—100°С или даже при 175—200° С (в автоклавах). Введение в стекловидные шлаки небольших количеств щелочей и сульфатов как бы активизирует (возбуждает) их скрытые гидравлические свойства. В соответствии с видом вводимой добавки различают щелочную, сульфатную и комбинированную активизацию шлаков.
Грануляция доменных шлаков.
Поскольку у стекловидных шлаков гидравлическая активность повышенная, доменные шлаки, предназначенные для изготовления вяжущих веществ, гранулируют, т. е. быстро охлаждают водой, паром или воздухом.
Способ резкого охлаждения шлаковых расплавов водой, открытый в середине XIX в., использовали вначале только для получения шлака в виде сыпучей массы, состоящей из небольших зерен (гранул), что позволяло легко перемещать его. В 1862 г. Ланген обнаружил, что гранулированный с помощью воды доменный шлак в тонкоизмельченном виде способен к гидравлическому твердению. В последующие годы было установлено, что быстрое охлаждение шлаковых расплавов и получение гидравлически активных гранулированных шлаков в стекловидном состоянии возможно также с помощью водяного пара, воздуха или совместного их воздействия.
В настоящее
время на металлургических заводах
применяют два способа
При мокром способе грануляции огненно-жидкие шлаки сливают в бассейн с водой. Бассейные установки (рис. 3) размещают вблизи доменных печей. Обычно они представляют собой прямоугольные бетонные резервуары объемом 450—800 м3, наполненные водой. Шлак в бассейны сливают из шлаковозных ковшей. При соприкосновении струи расплавленного шлака с водой он - мгновенно охлаждается, 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—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.
Бассейные установки отличаются большой производительностью, относительно невысокой капиталоемкостью и обслуживаются небольшим числом рабочих.
Однако мокрому способу грануляции присущи и серьезные недостатки: получаемые шлаки имеют высокую влажность (20—30%), поэтому при их перевозке увеличивается непроизводительная загрузка вагонов; необходимы повышенные затраты тепла на сушку шлака (до 80 кг условного топлива на 1 т сухого шлака); в зимних условиях вследствие высокой влажности шлаки в вагонах, бункерах и на открытых складах могут смерзаться, что вызывает затруднения в работе, простои вагонов и большие затраты труда на их разгрузку.
Полусухой способ грануляции более эффективен. Его осуществляют в барабанных, гидроударных, гидрожелобных и других установках. Наиболее эффективны гидрожелобные установки. В настоящее время их преимущественно применяют при грануляции шлаков вне доменного цеха. Гидрожелобная установка (рис. 4) состоит из приемной ванны 2, в которую сливают шлак, и наклонного грануляционного желоба 3 длиной до 10м. К верху желоба подводится вода под давлением до 0,8—1 МПа с помощью центробежного насоса 4. Воду подводят либо гидромонитором с сопловыми насадками, либо через трубы со щелевидными отверстиями для образования сильных струй воды. Расплав из шлаковозного ковша сливают в ванну, далее он попадает в грануляционный желоб, где подхватывается пучком сильных струй воды, выбрасываемых из отверстий насадки или щелевидных отверстий, охлаждается, разбивается на гранулы и поступает на приемную площадку. Отсюда шлак забирают грейферным краном и грузят в вагоны.
Для снижения количества воды на грануляцию применяют водовоздушную грануляцию. Для этого к гидрожелобу через сопло вентилятором высокого давления подают воздух. Расход воды на таких установках составляет около 1,5 м3 на 1 т шлака; влажность шлака колеблется в пределах 5—7%. Производительность установки около 120 000т шлака в год.
Гранулированные доменные шлаки используют для изготовления смешанных гидравлических вяжущих веществ шлакового портландцемента; сульфатно-шлакового цемента; известково-шлакового цемента; в качестве компонента для производства портландцемента, а также активной минеральной добавки к портландцементу при его помоле; в виде заполнителей при изготовлении бетонов.
Виды шлаковых цементов
Шлакопортландцемент
Шлакопортландцементом называется гидравлической вяжущее, получаемое путем тонкого измельчения портландцементного клинкера совместно с гранулированным доменным шлаком, а также с двуводным гипсом. Для получения быстротвердеющего шлакопортландцемента, порошок портландцемента иногда размалывают только с гранулированным шлаком. Шлака в шлакопортландцементе должно быть не менее 21 % и не более 60% по массе (ГОСТ 10178—85). В шлакопортландцементе марки 300 содержание доменного гранулированного шлака допускается свыше 60%, но не более 80% массы цемента. Гипс вводят в шлакопортландцемент для регулирования сроков схватывания, а также в качестве активизатора твердения шлака.
По своим физико-механическим свойствам шлакопортландцемент близок к обычному портландцементу, но выгодно отличается от него более низкой стоимостью. При прочих равных условиях стоимость его на 15—20% ниже стоимости портландцемента. Сейчас примерно около 25% всего выпускаемого в нашей стране цемента приходится на долю шлакопортландцемента.
Клинкер на заводах шлакопортландцемента целесообразно изготовлять с применением в качестве глинистого компонента гранулированного шлака. При этом близость химических составов доменных шлаков и портландцемента позволяет получать сырьевую смесь надлежащего качества при небольших добавках известняка. Это уменьшает расход топлива на диссоциацию карбоната кальция и, следовательно, на обжиг цемента. Сырьевую смесь готовят тонким измельчением шлака и известняка, взятых в установленном соотношении.
При изготовлении шлакопортландцемента гранулированный шлак предварительно сушат в сушильных барабанах или, что эффективнее, в специальных установках в условиях кипящего слоя до влажности, не превышающей 1—2%. Шлак не следует нагревать выше 600—700° С, так как при более высокой температуре он может расстекловываться, что вызывает уменьшение его гидравлической активности.
Высушенный шлак, портландцементный клинкер и гипс дозируют и направляют на помол в шаровые мельницы. Для облегчения помола можно вводить специальные добавки в количестве до 1 % массы цемента (поверхностно-активные, уголь и др.), не ухудшающие его качество.
• Быстротвердеющий шлакопортландцемент.
В настоящее
время выпускается также
При производстве быстротвердеющих шлакопортландцементов иногда применяют двухстадийный помол материалов: вначале измельчают клинкер, а затем ведут совместный помол цементного порошка со шлаком. При таком помоле тонкие фракции шлакопортландцемента состоят преимущественно из клинкерных частичек, обусловливающих быстрое твердение вяжущего.
Повышению активности шлакопортландцемента способствуют уменьшение доли шлака в цементе и увеличение тонкости его помола.
Содержание основных гранулированных шлаков в обычном шлакопортландцементе достигает 50—60%, а кислых — 30—40% (в зависимости от качества шлака и клинкера). Иногда в шлакопортландцементах до 8—10% шлака заменяют кислой активной кремнеземистой добавкой (трепел, опока и т. п.).
В остальном производственные процессы и оборудование, применяемое на заводах шлакопортландцемента, подобны тем, какие используются на заводах портландцемента.
Процессы твердения
При затворении шлакопортландцемента во взаимодействие с водой в первую очередь вступают клинкерные частички. Первоначально в основном образуются те же соединения, что и при гидратации портландцемента. При обычных температурах гидратация C3S и C2S в клинкерной составляющей приводит вначале (когда в твердеющем тесте имеется пересыщенный раствор гидрата окиси кальция) к образованию волокнистых гидросиликатов кальция состава, обозначаемых общей формулой C2SH2,
Параллельно при гидратации C3S и C2S выделяется и гидрат окиси кальция. Гидратация С3А и C4AF портландцемента на начальной стадии его взаимодействия с водой приводит к образованию соответственно С4АН13 и C4FH13. Одновременно гипс взаимодействует с алюминатами кальция с образованием С3А • 3CaSO4-(30 — 32)Н2О, регулирующего схватывание шлакопортландцемента. Но по мере вовлечения доменного шлака в реакции гидролиза и гидратации под воздействием щелочной и сульфатной активизации и взаимодействия его с гидратом окиси кальция состав новообразований претерпевает значительные изменения. Преобладающими в них оказываются CSH (В) и метастабильный двухкальциевый гидроалюминат С2АН8.
Таким образом,
в затвердевшем шлакопортландцементе
преобладают низкоосновные
Вместе с тем при надлежащем составе вяжущего отсутствие или незначительное содержание в цементном камне свободного гидрата окиси кальция и переход глинозема в низкоосновные гидроалюминаты или гидрогеленит способствуют повышению сульфатостойкости шлакопортландцементов по сравнению с портладцементами.
При твердении
шлакопортландцементов при
Как показывает ряд исследований, твердение шлакопортландцемента на основе доменного шлака при обычной температуре сопровождается связыванием воды, не испаряющейся при 105° С, в количестве 15% массы вяжущего (через 28 сут твердения смесей с В/Ц от 0,2 до 0,65). При этом возникают контракционные поры, суммарный объем которых равен 0,4—0,5 см3/г связанной воды, не испаряющейся при 105° С. Пористость при твердении портландцементов достигает в среднем 0,28 см3/г неиспаряющейся воды.
Свойства шлакопортландцемента. Плотность шлакопортландцемента колеблется в пределах 2,8—3 г/см3, уменьшаясь с увеличением содержания в цементе гранулированного доменного шлака.
Объемная
масса в рыхлонасыпном
Водоотделение из теста, полученного затворением шлакопортландце-мента, несколько больше, чем из теста портландцемента. С увеличением тонкости помола его водоудерживающая способность значительно возрастает. Быстротвердеющий шлакопортландцемент, измельченный до удельной поверхности 4000 см2/г, характеризуется большей водоудерживающей способностью, чем рядовой портландцемент.
Скорость схватывания, зависит от химического состава шлака и соотношения в шлакопортландцементе шлака и портландцементного клинкера, а также от содержания гипса. Добавление 30—50% шлака к быстросхватывающемуся измельченному клинкеру (даже без гипса) позволяет получать, как правило, нормально и медленно схватывающийся продукт. Введение гипса, замедляя схватывание портландцементного клинкера, значительно ускоряет схватывание шлакопортландцемента, возбуждая гидравлическую активность шлака.
Обычный шлакопортландцемент, содержащий 50—60% шлака, схватывается медленнее, чем рядовой портландцемент. Однако он удовлетворяет общим для всех клинкерных цементов нормам; начало схватывания — не ранее 45 мин и конец — не позднее 10 ч.
Прочность. Шлакопортландцемент соответственно ГОСТ 10178—76 разделяют по показателям прочности на марки 300, 400 и 500.
Активность шлакопортландцемента при одинаковой тонкости помола определяется главным образом оптимальным для данного шлака химическим и минералогическим составом клинкера и соотношением между шлаком и клинкером. Для производства шлакопортландцемента предпочтителен клинкер активностью 40—50 МПа с умеренно повышенным содержанием С3А (до 12%) и преобладанием С3S в силикатной части.
Активность обычных шлакопортландцементов и портландцементов, измельченных до удельной поверхности около 3000 см2/г, при длительном хранении изменяется примерно одинаково. Быстротвердеющий же шлакопортландцемент при хранении вследствие значительной удельной поверхности относительно быстро теряет активность и особенно способность к интенсивному росту прочности в ранние сроки твердения (1—3 сут). Поэтому быстротвердеющие шлакопортландцементы следует применять после изготовления в первые 5—7 сут и во всяком случае не позднее двух недель. В эти сроки прочность цемента при хранении снижается относительно мало.
Равномерность изменения объема. Шлакопортландцемент при твердении обычно отличается равномерным изменением объема. Даже при использовании клинкеров с повышенным коэффициентом насыщения, содержащих до 3,5 % свободной окиси кальция и поэтому непригодных для получения портландцемента, свободная СаО в шлакопортландцементе связывается шлаком и не вызывает неравномерности изменения объема. Шлакопортландцемент менее чувствителен и к повышенным добавкам гипса.
Тепловыделение
при твердении
Тепловыделение быстротвердеющего шлакопортландцемента примерно такое же, как и портландцемента.
Усадка
и набухание
Быстротвердеющий шлакопортландцемент вследствие высокой удельной поверхности обладает повышенной усадкой, достигающей через 3 мес 0,6—0,7 мм/м (у образцов из пластичного раствора 1:3). Поэтому его не следует применять в тех областях строительства, где предъявляются особые требования к значению усадочных деформаций, например, при устройстве дорожных покрытий в условия) сухого и жаркого климата.

- Использование дополнительных видов сырья животного происхождения
- Использование доходного подхода в процессе оценки недвижимости
- Использование емкостных датчиков при преобразовании емкости в цифровой код
- Использование жаргонной лексики в газетных текстах
- Использование женских образов в креативной рекламе
- Использование женских образов в креативной рекламе
- Использование женских образов в креативной рекламе (с точки зрения архитипических знаков)
- Использование дидактической игры для развития речи у детей младшего школьного возраста
- Использование динамических списков-сотрудники
- Использование дисперсионного анализа в методических исследованиях
- Использование дисперсионного анализа при факторном исследовании экономических явлений и процессов
- Использование дифференцированного подхода в развитии детского вокального ансамбля
- Использование дифферинциальных уравнений в военной технике
- Использование документов в качестве доказательств