Влияние железосодержащих шлаков на свойства силикатных материалов из доломитовой извести

АННОТАЦИЯ

В работе представлены результаты исследования влияние железосодержащих шлаков и давления пара в автоклаве при гидротермальной обработке на прочностные показатели силикатных композиций на основе доломитовой извести. Методом дифференциально-термического анализа исследован фазовый состав полученных композиций. Установлено, что в результате взаимодействия доломитовой извести и железосодержащих шлаков в условиях гидротермальной обработки образуются низкоосновные гидросиликаты кальция CSH(B), гидросиликаты магния типа серпентина.

ABSTRACT

In work results of research of influence ferriferous slags and steam pressure in autoclave by hydrothermal treatment on strength properties of silicate compositions on basis dolomitic lime. The phase constitution of the obtained compositions is examined with the help of differential thermal analysis. It is stated that result interaction of dolomitic lime and ferriferous slags in condition hydrothermal treatment, low basic calcium hydcosilicate type as CSH(B) and magnesium hydrosilicate type as serpentine have been generation.

Ключевые слова: доломитовая известь, сталеплавильный и литейный шлак, автоклавная обработка, прочность, давления пара, дифференциально-термический анализ, силикатный материал.

Keywords: dolomite lime, steelmaking and foundry slag, autoclaving, resistance, vapor pressure, differential-thermal analysis, silicate material.

Производство вяжущих в большинстве случаях основано на кальциевых соединениях, способных энергично взаимодействовать с водой и давать прочные продукты твердения. Расширение же ассортимента вяжущих с новыми свойствами, особенно базирующих на местном сырье, имеет большое практическое значение. Поэтому представляет интерес разработка вяжущего на основе доломитового сырья, месторождения которого широко распространены.

Крупным резервом получения сырья, используемого для производства строительных материалов, является сталеплавильные шлаки Бекабадского металлургического комбината и литейные шлаки Ташкентского тракторного завода. При отсутствии доменных шлаков в Узбекистане вопрос утилизации сталеплавильных и литейных шлаков приобретает важное значение. Кроме того, широкое вовлечение этих шлаков в сферу производства сократит площади шлакоотвалов и будут способствовать сохранению окружающей среды.

Целью настоящей работы явилось исследование оптимального состава, условий автоклавной обработки и изучение фазового состава гидратных новообразований, образующегося при автоклавной обработке известково-песчаных смесей на основе доломитовой извести с добавкой сталеплавильного и литейного шлака.

Для приготовления известково-песчаных смесей использовались маломагнезиальная известь Джумуртауского месторождения с содержанием 60-70% СаО_своб. доломитовая известь из доломитов Карахтайского месторождения, с содержанием 50-60% (CaO+MgO)_своб, кварцевые пески из кварцитов Джамансайского месторождения. В качестве активной минеральной добавки использовали сталеплавильные шлаки Бекабадского металлургического комбината с содержанием 15,44 % оксида железа, магния и литейные шлаки Ташкентского тракторного завода с содержанием 17,18 % оксида железа в виде рудных минералов. Химический состав исходных материалов приведено таблице 1.

Таблица 1.

 Химический состав (%) исходных материалов

В наших исследованиях доломитовая известь применялась в виде доломитового вяжущего, представляющего собой доломитовую известь, совместно молотую с необожженным доломитом в соотношении 2:1 и 1:1 до удельной поверхности около 5000 см²/г, а маломагнезиальная известь использовалась в виде известково-песчаного вяжущего, полученного путем совместного помола извести и кварцевых песков в соотношении 2:1 до удельной поверхности 4000 см²/г. Исследования проводились на образцах – цилиндрах диаметром и высотой 42 мм, прессованных под давлением 20 МПа и запаренных по режиму 2+8+2 часа при 0,8 и 1,2МПа.

Для определения влияния вида извести (маломагнезиальной или доломитовой) на прочность силикатных образцов были составлены известково-песчаные смеси одинаковой активности на основе кварцевых песков и двух видов вяжущего, представляющих собой доломитовую или маломагнезиальную известь, молотую совместно с кварцевым песком в соотношении 2:1 и с добавкой 5% и 10% смеси шлака до удельной поверхности 4500 см²/г (табл. 2).

Таблица 2.

Зависимость средней плотности и прочности при сжатии автоклавных силикатных образцов от вида извести

Примечание. Содержание (CaO+MgO)_своб в сырьевых смесях 9%.

Из данных таблицы 2 видно, что прочность у образцов из смесей на доломитовой извести без добавки смеси сталеплавильного и литейного шлака на 40,4% выше, чем у аналогичных образцов из смесей на маломагнезиальной извести. При добавке 5% шлаковой смеси эта разница составляет 65,4%.

Из сказанного выше следует отметить, что использование доломитовой извести вместо маломагнезиальной извести в составе известково-песчаного вяжущего позволяет значительно увеличить механическую прочность изделий.

Для исследования влияния железосодержащих шлаков на прочность силикатных образцов из смесей на доломитовом вяжущем были изготовлены силикатные смеси с различным содержанием активных CaO+MgO (талб. 3).

Таблица 3.

 Зависимость прочности известково-песчаных образцов на основе доломитовой извести от содержания сталеплавильного и литейного шлака

Результаты испытания запаренных образцов, полученных из смесей на доломитовой извести, показали, что добавка в исходные известково-песчаные смеси 10% железосодержащего шлака вызывает повышение прочности до 23,2 МПа при активности исходной смеси CaO+MgO_акт 9% и становится выше контрольной (табл.2). Это свидетельствует о том, что смесь шлаков в данных условиях являются активными компонентами, участвующим в образовании прочного силикатного камня [1-3].

Одним из важных технологических факторов, оказывающий влияние на прочность силикатных материалов, является давление пара при гидротермальной обработке известково-песчаных смесей.

Влияние давление пара при гидротермальной обработке на прочность изделий изучались на образцах из смесей, приготовленных на кварцевом песке и трех видов вяжущего на доломитовой извести и доломите составов 2:1 и 1:1, и для сравнения был использован известково-песчаное вяжущее на кальциевой извести состава 2:1 (табл.4).

Результаты испытания на прочность при сжатии образцов показали, что повышение давления пара при гидротермальной обработке от 0,8 до 1,2 МПа наиболее эффективно для смесей на основе известково-песчаного вяжущего из кальциевой извести с добавкой 8-10 % смеси шлака (28,3 и 28,0 МПа).

Гидротермальную обработку образцов из смесей на доломитовом вяжущем составов 1:1 и 2:1, как показали результаты исследования, целесообразно проводить в автоклаве при давлении пара 0,8 МПа. При повышении давления пара в автоклаве до 1,2 МПа прочность увеличилась с 32,0 до 33,0 МПа, только у образцов на доломитовом вяжущем состава 1:1 с добавкой 3-8 % смеси шлака. Для остальных исследованных составов известково-песчаных смесей на доломитовой извести увеличение давления пара нежелательно.

Представляло интерес изучить фазовый состав известково-песчаного материала, изготовленного на доломитовой извести, так как по своим физико-механическим свойствам такой материал значительно превосходит аналогичный, изготовленный на кальциевой извести.

Таблица 4.

Влияние давления пара при гидротермальной обработке на прочность силикатного образца при различных составах вяжущего и добавках смеси шлака

Для исследования фазового состава продуктов гидротермальной обработки был использован дифференциально - термический метод анализа.

Термограммы запаренных образцов на доломитовой вяжущей, молотой совместно с частью кварцевых песков в соотношении 2:1, с содержанием в сырьевых смесях 9% (CaO+MgO)_своб и с добавкой смеси шлаков в количестве 10% приведены на рисунке 1.

Характерной особенностью цементирующего вещества силикатного материала на доломитовой извести, являются присутствия в его составе наряду с гидросиликатами кальция, и гидросиликата магния типа серпентина, на что указывают эндотермические эффекты при 700-705⁰С, экзотермические эффекты при 845⁰С.

Рисунок 1. Термограммы запаренных силикатных образцов на вяжущем состава доломитовая известь+ кварцевый песок (2:1). 1 – без добавок; 2 – с добавкой 10% смеси шлака

Образование гидросиликата магния типа серпентина в этих условиях, по-видимому, обусловлено присутствием тонкомолотого кварца в составе известково-песчаного вяжущего на основе доломитовой извести и магнезиальных составляющих шлака [4-6]. О степени влияния железосодержащих компонентов на фазовый состав новообразований можно судить по изменению кривой нагревания запаренного образца с добавкой смеси шлака в температуре 810⁰С.

При запаривании образцов на доломитовом вяжущем состава 2:1 с добавкой смеси шлаков, повышение давления с 0,8 до 1,2 МПа ведет к заметному изменению фазового состава цементирующего вещества. На кривых нагревания образцов запаренных при 1,2 МПа, заметно уменьшается эндотермический пик при 460⁰С, что дает основание предполагать, что с повышением давления пара в автоклаве в составе цементирующего вещества, вероятно, снижается количество C₂SH(A), а также вступает в реакцию часть гидроксида магния из состава смеси шлаков (рис. 2).

Рисунок 2. Термограммы запаренных силикатных образцов на доломитовом вяжущем составе 2:1 при различных давлениях пара

1 -  без добавки, запаренной при 0,8 МПа; 2 – то же, 1,2 МПа; 3 – с добавкой 10% смеси шлака запаренной при 0,8 МПа; 4 – то же, 1,2 МПа.

Вместе с тем наблюдается заметное увеличение экзотермического пика с максимумом при 835⁰С, свидетельствующего об образование большого количество низкоосновного гидросиликата кальция типа CSH(B) за счет кальция содержащихся в сталеплавильном шлаке.

Наличие в составе силикатной сырьевой смеси железосодержащих и магнийсодержащих компонентов в процессе автоклавирования происходит образования гидросиликатов кальция CSH(B), гидросиликатов магния типа серпентина и возможно образовании алюмоферитных и феритных гидрогранатов. Как известно вяжущие силикатно-гидрогранатного и серпентинитного типа отличаются высокими показателями прочности, особенно при изгибе и разрыве.

Выводы:

1. Применение доломитовой извести и молотого доломита дает возможность значительно повысить качество кирпича и получить силикатные кирпичи с прочностью при сжатии 35 МПа при сравнительно невысоком давлении пара в автоклаве – 0,8 МПа. Особенно эффективно с этой точки зрения доломитовое вяжущее состава 1:1.
2. Состав цементирующего вещества силикатного материала автоклавного твердения, полученного за счет железистых соединений сталеплавильного и литейного шлака содержащего до 12% MgO и CaO, доломитовой извести имеет существенное различия и зависит от вида применяемой извести, а также от условий гидротермальной обработки.

Список литературы:
1. Джандуллаева М.С., Атакузиев Т.А. Изучение продуктов взаимодействия твердых отходов содового производства с известково-кремнеземистой смесью при автоклавной обработке // Химическая технология. Контроль и управление. - Ташкент, 2016. - №6. - С.8-13.
2. Джандуллаева М.С., Атакузиев Т.А. Способы интенсификации процесса твердения и повышение качества силикатного кирпича на барханном песке // Химия и химическая технология. – Ташкент, 2016. - №2. – С.10-156.
3. Джандуллаева М.С., Бекмуратова М.Г., Атакузиев Т.А. Улучшение свойства силикатного кирпича на основе техногенных отходов и местных сырьевых материалов // Композиционные материалы. – Ташкент, 2016. - №1. - С.59-61.
4. Djandullaeva M.S., Atakuziev T.A.,Кabulova L.B. Silicate brick on resource - saving technologies // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences, 2015. - № 9-10. - Р.107-111.
5. Вайвад А.Я. Магнезиальные вяжущие вещества // Рига, «Знание», 1972. - 331 с.
6. Джандуллаева М.С., Атакузиев Т.А. Отходы литейного производства для изготовления силикатных кирпичей с повышенной сцепляемостью с кладочным раствором // Химическая технология. Контроль и управление. Ташкент, 2015, -№ 6. - С. 6-12.