На предприятиях металлургической отрасли в связи с особенностями технологии производства до 40 % от первоначального сырья уходит в отходы – шлаки. Учитывая объёмы современного производства металлов, количество производимых шлаков огромно. На сегодняшний день данные отходы в большинстве случаев складируются, не подвергаясь никакой дальнейшей переработке. Например, на ОАО «Чусовской металлургический завод» за годы работы скопилось более 150 млн т металлургических шлаков, и это представляет собой глобальную экономическую и экологическую проблему [6].
Сложившуюся ситуацию стало возможным изменить с 2000 года, когда предприятие наладило производство сертифицированного в соответствии с ГОСТ 3344–83 и ГОСТ 5578–94 шлакового щебня различных фракций [2]. На данный момент шлаковый щебень Чусовского металлургического завода применяется в основном при строительстве дорог в качестве замены природному щебню [3, 5, 7]. Однако, несмотря на известные технологии применения шлакового щебня в бетонных смесях, изделия из бетонов с шлаковым заполнителем не получили должного распространения [4].
Цель исследования. Популяризацию применения шлакового щебня в качестве заполнителя для бетонных смесей стоит начинать с отработки технологии применения данного материала в неответственных бетонных изделиях, производимых в больших объёмах. Тротуарная плитка − современный строительный материал, массово производимый и не предъявляющий к качеству бетона высоких требований, именно тротуарная плитка была выбрана в качестве экспериментального продукта для применения шлакового щебня ЧМЗ в качестве заполнителя бетонных изделий. Цель исследования заключалась в выявлении возможности производства тротуарной плитки, соответствующей по прочности ГОСТ 17608-91[1], на основе шлакового щебня ЧМЗ.
Материалы и методы исследования
Тротуарная плитка – это строительный материал, получаемый путём формовки бетонной смеси нужных геометрических параметров либо вибрированием, либо вибро-прессованием. Как и любая бетонная смесь, смесь для получения тротуарной плитки состоит из крупного и мелкого заполнителя и минерального вяжущего.
В качестве минерального вяжущего использовался горнозаводский портландцемент ПЦ400 Д20, при производстве которого также применяются металлургические шлаки. В виде мелкого заполнителя использовался строительный песок с модулем крупности 2.
Так как целью исследования является изучение возможности применения шлакового щебня в производстве тротуарной плитки только в качестве заполнителя, для экспериментов была выбрана фракция шлакового щебня 0–5 производства ЧМЗ. Данная фракция может выступать в качестве крупного и мелкого заполнителя одновременно и даёт возможность отказаться от применения песка, вовлекая большее количество шлаков в производство и позволяя дополнительно снизить себестоимость изделия.
Бетонные образцы изготовлялись методом вибролитья. Было получено два вида образцов: стандартные кубические образцы 100×100×100 для прочностных испытаний и образцы тротуарной плитки для изучения визуального качества готовой продукции и свойств формуемости смеси.
Результаты исследования и их обсуждение
Первые образцы были получены на основе смеси «цемент-песок-шлак» с вариацией соотношения компонентов, целью создания этих образцов являлось изучение возможности замены гранитного (природного) щебня в «классической» бетонной смеси шлаковым. Проведённые прочностные исследования образцов дали следующие результаты, приведённые в табл. 1.
Таблица 1
Результаты замены гранитного щебня шлаковым
|
Смесь |
Соотношение компонентов в частях по объёму |
Прочность 14 суток |
||
|
ПЦ 400 |
Песок |
Шлак 0–5 |
||
|
Эталон |
1 |
2 |
3 Щебень |
212,9 |
|
1 |
1 |
1 |
3 |
211 |
|
2 |
1 |
1,5 |
3 |
205 |
|
3 |
1 |
2 |
3 |
154 |
|
4 |
1 |
2,5 |
3 |
142 |
|
5 |
1 |
2 |
1 |
237 |
|
6 |
1 |
2 |
2 |
184 |
|
7 |
1 |
2 |
3 |
154 |
Анализ результатов экспериментов и сравнение образцов на основе шлака с эталонными образцами показал, что при замене природных наполнителей отходами чёрной металлургии можно добиться требуемой прочности и визуального качества изделия, а в некоторых случаях даже превзойти их.
В ходе работ была выдвинута идея о полном отказе от природных заполнителей. Создание бетонной смеси на основе шлакового щебня и вяжущего стало возможным благодаря применению отсева шлака фракции 0–5, который включает в себя как крупные, так и мелкие частицы.
В процессе экспериментов было отмечено, что смеси на основе шлаков получаются более жёсткие, что повышает их конечную прочность, но ухудшает формуемость, соответственно предъявляя специфические требования к технологическому процессу.
Была создана партия образцов без применения песка цемент-шлаковый щебень, и подвергнута дальнейшим исследованиям результаты которых приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты исследования образцов на основе шлакового щебня
|
Смесь |
Соотношение компонентов в частях по объёму |
Прочность 14 суток |
||
|
ПЦ 400 |
Песок |
Шлак 0–5 |
||
|
Эталон |
1 |
2 |
3 Щебень |
212,9 |
|
1 |
1 |
Нет |
3 |
287,3 |
|
2 |
1 |
Нет |
4 |
205,4 |
|
3 |
1 |
Нет |
5 |
96,9 |
Полученные результаты доказали возможность отказа от природных компонентов, подтолкнув к дальнейшим исследованиям.
Дальнейшие изыскательные работы велись в направлении изучения набора прочности образцов на основе шлакового щебня. Итоги исследования свелись к графикам набора прочности (рисунок), которые показывают, что образцы с использованием шлакового щебня набирают достаточную прочность для отгрузки готовой продукции уже на десятые сутки, а конечная прочность изделий удовлетворяет ГОСТу на тротуарную плитку.
Исследованиям подвергались три состава смесей с использованием в качестве заполнителя только шлакового щебня фракции 0–5, 1–3,1–4, 1–5 – это обозначение состава смесей, где 1 – это одна часть цемента, вторая цифра − это количество частей шлакового щебня по объёму. Анализ результатов показал, что смеси 1–3 и 1–4 можно применять для производства тротуарной плитки, так как они соответствуют классу бетонов В25 и В22,5. Смесь 1–5 получилось низкомарочная и подходит для неответственных бетонных конструкций.
Выводы
Проведённые исследования по применению шлакового щебня в качестве заполнителя бетонных смесей при производстве тротуарной плитки доказали, что при замене гранитного щебня шлаковым можно добиться требуемой прочности, предъявляемой к тротуарной плитке согласно ГОСТ 17608–91. Кроме того, в ходе исследований была доказана возможность производства изделий только с использованием шлакового заполнителя, что является экономически и экологически целесообразным и позволяет экономить природные ресурсы, улучшать экологическую ситуацию и снижать себестоимость изделия.
График набора прочности шлаковых образцов
Рецензенты:
Лобов Н.В., д.т.н., проректор по учебной работе, ПНИПУ «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь;
Петров В.Ю., д.т.н., профессор, президент, ПНИПУ «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь.
Работа поступила в редакцию 29.12.2012.