Применение зол и шлаков в промышленности

Московский  Государственный Строительный Университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 2011

Содержание: 

1. Развитие  промышленности и накопление отходов 
2. Классификация промышленных отходов
3. Вяжущие материалы на основе шлаков и зол
4. Заполнители из шлакозольных отходов
5. Плавленые и искусственные каменные материалы на основе шлаков и зол
6. Золы и шлаки в дорожно-строительных и изоляционных материалах
7. Использование сланцевой золы в бетонах и строительных растворах
8. Сланцевая зола как модификатор цементных систем
9. Использование сожженого сланца в бетонных смесях

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Развитие  промышленности и  накопление отходов 

 

  Характерной особенностью научно-технического процесса является увеличение объема общественного  производства. Бурное развитие производительных сил вызывает стремительное вовлечение в хозяйственный оборот все большего количества природных ресурсов. Степень  их рационального использования  остается, однако, в целом весьма низкой. Ежегодно человечество использует приблизительно 10 млрд. т. минеральных  и почти столько же органических сырьевых продуктов. Разработка большинства  важнейших полезных ископаемых в  мире идет быстрее, чем наращиваются их разведанные запасы. Около 70% затрат в промышленности приходится на сырье, материалы, топливо и энергию. В  то же время 10…99% исходного сырья  превращаются в отходы, сбрасываемые в атмосферу и водоемы, загрязняющие землю. В угольной промышленности, например, ежегодно образуется примерно 1,3 млрд. т. Вскрышных и шахтных пород  и около 80 млн. т. Отходов углеобогащения. Ежегодно выход шлаков черной металлургии  составляет около 80 млн. т., цветной 2,5, зол и шлаков ТЭС 60…70 млн. т., древесных  отходов около 40 млн. м³.

  Промышленные  отходы активно влияют на экологические  факторы, т.е. оказывают существенное влияние на живые организмы. В  первую очередь это относится  к составу атмосферного воздуха. В атмосферу поступают газообразные и твердые отходы в результате сгорания топлива и разнообразных  технологических процессов. Промышленные отходы активно воздействуют не только на атмосферу, но и на гидросферу, т.е. водную среду. Под влиянием промышленных отходов, сосредоточенных в отвалах, шлаконакопителях, хвостохранилищах и т.д., загрязняется поверхностный сток в районе размещения промышленных предприятий. Сброс промышленных отходов приводит, в конечном счете, к загрязнению вод Мирового океана, которое приводит к резкому снижению его биологической продуктивности и отрицательно влияет на климат планеты. Образование отходов в результате деятельности промышленных предприятий негативно сказывается на качестве почвы. В почве накапливаются избыточные количества губительно действующих на живые организмы соединений, в том числе канцерогенные вещества. В загрязненной «больной» почве идут процессы деградации, нарушается жизнедеятельность почвенных организмов.

  Рациональное  решение проблемы промышленных отходов  зависит от ряда факторов: вещественного  состава отходов, их агрегатного  состояния, количества, технологических  особенностей и т.д. Наиболее эффективным  решением проблемы промышленных отходов  является внедрение безотходной  технологии. Создание безотходных производств  осуществляется за счет принципиального  изменения технологических процессов, разработке систем с замкнутым циклом, обеспечивающих многократное использование  сырья. При комплексном использовании  сырьевых материалов промышленные отходы одних производств являются исходными сырьевыми материалами других. Важность комплексного использования сырьевых материалов можно рассматривать в нескольких аспектах. Во-первых, утилизация отходов позволяет решить задачи охраны окружающей среды, освободить ценные земельные угодья, занимаемые под отвалы и шламохранилища, устранить вредные выбросы в окружающую среду. Во- вторых, отходы в значительной степени покрывают потребность ряда перерабатывающих отраслей в сырье. В-третьих, при комплексном использовании сырья снижаются удельные капитальные затраты на единицу продукции и уменьшается срок их окупаемости.

  Из  отраслей-потребителей промышленных отходов  наиболее емкой является промышленность строительных материалов. Установлено, что использование промышленных отходов позволяет покрыть до 40% потребности строительства в  сырьевых ресурсах. Применение промышленных отходов позволяет на 10…30% снизить  затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством  их из природного сырья, экономия капитальных  вложений достигает 35..50%. 

2. Классификация промышленных отходов 

 

  К настоящему времени отсутствует  всесторонняя классификация промышленных отходов. Это обусловлено чрезвычайной пестротой их химического состава, свойств, технологических особенностей, условий образования.

  Все отходы промышленности можно разделить  на две большие группы: минеральные (неорганические) и органические. Наибольшее значение для производства строительных материалов имеют минеральные отходы. На их долю падает преобладающая доля всех отходов, производимых добывающими  и перерабатывающими отраслями  промышленности. Эти отходы и в  большей мере изучены, чем органические.

  Баженовым П.И. предложено классифицировать промышленные отходы в момент выделения их из основного технологического процесса на три класса: А; Б; В.

  Продукты  класса А (карьерные остатки и остатки после обогащения на полезное ископаемое) имеют химико-минералогический состав и свойства соответствующих горных пород. Область их применения обусловлена агрегатным состоянием, фракционным и химическим составом, физико-механическими свойствами.

  Продукты  класса Б – искусственные вещества. Они получены как побочные продукты в результате физико-химических процессов, протекающих при обычных или чаще высоких температурах. Диапазон возможного применения этих промышленных отходов шире, чем продуктов класса А.

  Продукты  класса В образуются в результате физико-химических процессов, протекающих в отвалах. Такими процессами могут быть самовозгорание, распад шлаков и образование порошка. Типичными представителями отходов этого класса являются горелые породы. 

3. Вяжущие материалы на основе шлаков и зол 

 

  Основная  масса отходов при получении  металлов и сжигании твердого топлива  образуется в виде шлаков и зол. Кроме  шлаков и зол при производстве металла в больших количествах  образуются отходы в виде водных суспензий  дисперсных частиц-шламы.

  Ценным  и весьма распространенным минеральным  сырьем для производства строительных материалов являются горелые породы и отходы углеобогащения, а также  вскрышные породы и отходы обогащения руд.

  Производство  вяжущих материалов относится к  наиболее эффективным областям применения шлаков. Шлаковые вяжущие можно подразделить на следующие основные группы: шлакопортландцементы, сульфатно-шлаковые, известково-шлаковые, шлако-щелочные вяжущие.

  Шлаки и золы можно рассматривать как  в значительной мере подготовленное сырье. В их составе окись кальция (CaO) связана в различных химических соединениях, в том числе и в виде двухкальциевого силиката - одного из минералов цементного клинкера. Высокий уровень подготовки сырьевой смеси при применении шлаков и зол обеспечивает повышение производительности печей и экономии топлива. Замена глины доменным шлаком позволяет снизить на 20% содержание известкового компонента, уменьшить при сухом производстве клинкера удельный расход сырья и топлива на 10…15%, а также повысить производительность печей на 15%.

    Применением маложелезистых шлаков  – доменных и феррохромовых  – и созданием восстановительных  условий плавки получают в  электропечах белые цементы. На  основе феррохромовых шлаков  окислением металлического хрома  в расплаве можно получить  клинкеры, при использовании которых  цементы с ровной и стойкой окраской.

  Сульфатно-шлаковые цементы – это гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным тонким измельчением доменных гранулированных  шлаков и сульфатного возбудителя  твердения – гипса или ангидрида  с небольшой добавкой щелочного  активизатора: извести, портландцемента или обожженного доломита. Наиболее широкое распространение из группы сульфатно-шлаковых получил гипсошлаковый цемент, содержащий 75…85% шлака, 10…15% двуводного гипса или ангидрида, до2% окиси кальция или 5% портландцементного клинкера. Высокая активизация обеспечивается при использовании ангидрита, обожженного при температуре около 700º С, и высокоглиноземистых основных шлаков. Активность сульфатно-шлакового цемента существенно зависит от тонкости измельчения. Высокая удельная поверхность (4000…5000 см²/г) вяжущего достигается с помощью мокрого помола. При достаточно высокой тонкости измельчения в рациональном составе прочность сульфатно–шлакового цемента не уступает прочности портландцемента. Как и другие шлаковые вяжущие, сульфатно-шлаковый цемент имеет не большую теплоту гидратации – к 7 сут., что позволяет применять его при возведении массивных гидротехнических сооружений. Этому способствует также его высокая стойкость к воздействию мягких сульфатных вод. Химическая стойкость сульфатно-шлакового цемента выше, чем шлакопортландцемента, что делает его применение особенно целесообразным в различных агрессивных условиях.

  Известково-шлаковые и известково-зольные цементы  – это гидравлические вяжущие  вещества, получаемые совместным помолом  доменного гранулированного шлака  или золы уноса ТЭС и извести. Их применяют для приготовления  строительных растворов марок не более М 200. Для регулирования  сроков схватывания и улучшения  других свойств этих, вяжущих при  изготовлении их вводится до 5% гипсового  камня. Содержание извести составляет 10%...30%.

  Известково-шлаковые и зольные цементы по прочности  уступают сульфатно-шлаковым. Их марки: 50, 100, 150 и 200. Начало схватывания должно наступать не ранее чем через 25 мин., а конец – не позднее чем через 24 ч. после начала затворения. При снижении температуры, особенно после 10º С, нарастание прочности резко замедляется и, наоборот, повышение температуры при достаточной влажности среды способствует интенсивному твердению. Твердение на воздухе возможно лишь при  после достаточного продолжительного твердения (15…30 сут.) во влажных условиях. Для этих цементов характерна низкая морозостойкость, высокая стойкость в агрессивных водах и малая экзотермия.

  Шлакощелочные вяжущие состоят из тонкоизмельченного гранулированного шлака (удельная поверхность≥3000 см²/г) и щелочного компонента – соединений щелочных металлов натрия или калия.

  Для получения шлакощелочного вяжущего приемлемы гранулированные шлаки с различным минералогическим составом. Решающим условием их активности является содержание стекловидной фазы, способной взаимодействовать со щелочами.

  Свойства  шлакощелочного  вяжущего зависят от вида, минералогического состава шлака, тонкости его помола, вида и концентрации его раствора щелочного компонента. При удельной поверхности шлака 3000…3500 см²/г количество воды для образования теста нормальной густоты составляет 20…30% массы вяжущего. Прочность шлакощелочного вяжущего при испытании образцов из теста нормальной густоты составляет 30…150 МПа. Для них характерен интенсивный рост прочности как в течении первого месяца, так и в последующие сроки твердения. Так, если прочность портландцемента через 3 мес. твердения в оптимальных условиях превышает марочную примерно в 1,2 раза, то шлакощелочного вяжущего в 1,5 раза. При тепловлажностной обработке процесс твердения ускоряется также интенсивнее, чем при твердении портландцемента. При обычных режимах пропаривания, принятых в технологии сборного железобетона, в течение 28 сут. достигается 90…120% марочной прочности.

  Щелочные  компоненты, входящие в состав вяжущего, выполняют роль противоморозной добавки, поэтому шлакощелочные вяжущие достаточно интенсивно твердеют при отрицательных температурах.  

4. Заполнители из шлакозольных отходов

 

  Шлаковые  и зольные отходы представляют богатейшую сырьевую базу для производства как  тяжелых, так и легких пористых заполнителей бетона. Основными видами заполнителей на основе металлургических шлаков являются шлаковый щебень и шлаковая пемза.