Особые климатические условия Арктического региона существенно ограничивают возможность применения общепринятых минеральных вяжущих материалов, таких как портландцементы, которые не отличаются высокой морозостойкостью и не имеют достаточной устойчивости к сульфатной коррозии, возникающей в результате долговременного действия почвенных вод или морской воды на бетонные изделия. Какие решения предлагают российские ученые?
Введение
Задачи широкого и эффективного применения крупнотоннажных отходов металлургии и энергетического комплекса РФ в качестве компонентов строительных материалов, таких как вяжущие, инертные минеральные добавки, легкие заполнители, становятся с каждым годом все более актуальными в связи с расширением географии строительства и спектра решаемых задач. Не менее важен экологический аспект, связанный с задачей уменьшения площадей полигонов для хранения техногенных отходов, общий объем которых превышает 5 млрд тонн и ежегодно возрастает. При этом потребление различных типов строительных материалов на гражданское строительство, развитие промышленной и дорожной инфраструктуры, возведение гидротехнических объектов, в том числе на севере РФ, непрерывно возрастает и в 2025 году может составить более 85 млн тонн в год.
Одновременно с этим планируемые изменения в таможенном регулировании стран ЕС, связанные со снижением выбросов парниковых газов, а также общее стремление человечества к рациональному природопользованию и ресурсосбережению приводят к необходимости создания новых технологий, обеспечивающих снижение количества выбросов углекислого газа и накопления отходов. Эти факторы создают предпосылки для более широкого применения металлургических шлаков и золошлаковых отходов тепловых станций для производства различных типов высокомарочных минеральных вяжущих [2].
Исходные материалы
Среди широкого спектра техногенных отходов наилучшим материалом для получения минеральных вяжущих – заменителей цемента – является гранулированный доменный шлак. Он образуется в результате быстрого охлаждения образующегося при производстве чугуна жидкого шлака (рис. 1) [3]. Граншлаки в основном состоят из частиц неправильной формы с размерами от 0,5 до 10 мм и насыпной плотностью, не превышающей 1100 кг/м3. Основным их преимуществом является близость химического и фазового состава к портландцементам (табл. 1) [4]. Детальное описание физико-химических свойств доменных гранулированных шлаков, производимых двумя крупнейшими российскими металлургическими комбинатами полного цикла – ПАО «Северсталь» (г. Череповец) и ПАО «НЛМК» (г. Липецк), представлено в работе [5].
Результаты экспериментов
В рамках представляемой работы с целью создания высокоэффективного малоклинкерного минерального вяжущего для применения в условиях Арктики был проведен комплекс исследований по подбору оптимальных составов смесей цемента и молотого доменного шлака. Были определены зависимости предела прочности искусственного камня, состоящего только из минерального вяжущего от количества портландцемента, содержание которого варьировалось от 10 до 50 масс. %. Определение предела прочности производилось на 28 и 180 сутки выдержки образцов. Средние значения пределов прочности образцов различного состава на основе шлаков ПАО «Северсталь» и ПАО «НЛМК» представлены в табл. 2.
Как видно из табл. 2, предел прочности на сжатие образцов на основе граншлака ПАО «Северсталь» зависит от состава экстремальным образом: максимальный показатель достигается при 40 % масс. шлака и составляет 95 Мпа после выдержки в течение 180 суток. Для образцов граншлака ПАО «НЛМК» наблюдается непрерывное увеличение предела прочности с увеличением содержания портландцемента до 50 % масс., при котором он составляет 123 МПа после 180 суток. Результаты рентгеновского фазового анализа позволяют предположить, что более высокие значения прочности камней на основе шлака ПАО «НЛМК» обусловлены большим содержанием высокоактивной аморфной фазы, которое, в свою очередь, связано с различиями химического состава шлаков и технологией их охлаждения при грануляции их жидкого состояния.
Таким образом, было показано, что на основе молотых доменных могут быть получены минеральные вяжущие, превосходящие традиционный портландцемент по прочностным характеристикам. Для дальнейших экспериментов были выбраны шлаки ПАО «Северсталь», которые по отношению к остальным металлургическим комбинатам России характеризуются наиболее коротким логистическим плечом к арктическим стройкам.
На основе результатов подбора составов вяжущих были изготовлены модельные образцы бетонов, в составе которых присутствовали малоклинкерное минеральное вяжущее на основе шлака ПАО «Северсталь» и песок в соотношении 1:3 (ГОСТ 30744-2001). Часть изготовленных образцов подвергалась тепловлажностной обработке (ТВО) для ускоренного набора прочности, а другая часть выдерживалась в течение 28 суток. Результаты определения пределов прочности образцов бетонов показаны в табл. 3. Представленные результаты показывают, что вяжущие свойства малоклинкерных минеральных вяжущих на основе гранулированных доменных шлаков ПАО «Северсталь» при его содержании до 60 % масс. шлака практически не уступает портландцементу.
Полученные результаты легли в основу промышленных экспериментов, в рамках которых была изготовлена опытная партия бетонных изделий с применением местных материалов в качестве заполнителя. В качестве промышленной площадки был выбран причал АО «МРТС» в г. Архангельске, в качестве заполнителя использовался придонный песчаный грунт реки Северная Двина (рис. 2 А, Б). Количество минерального вяжущего, состоящего из 60 % масс. шлака и 40 % масс. портландцемента, расход вяжущего на 1 м3 бетона составил 250 кг. Твердение и выдержка геополимерного бетона протекало в осенний период в зоне переменного уровня воды при температуре воздуха −17 °С…+12 °С.
Отбор проб для проведения испытания характеристик бетона проводился через 6 месяцев после изготовления изделий. Из объема полученных изделий высверливались пробы в виде цилиндров диаметром 15 см, высотой 30 см. Процесс обора проб показан на рисунке 2В. Внешний вид полученных из изделий и проб геополимерных бетонов представлен на рис. 3А и 3Б, В соответственно.
Определение характеристик полученных серий проб проводилось испытательной лабораторией «НИИ СМиТ» (г. Новомосковск) и ООО «Тулаоргтехстрой» (г. Тула) в соответствии с ГОСТ 28570-2019 и ГОСТ 18105-2018. Согласно проведенным исследованиям, предел прочности на сжатие полученного геополимерного бетона соответствовал классу В10–В20 (10,1–19,3 МПа), водонепроницаемость – марке W6, а морозостойкость – марке F100–F150, что позволяет отнести полученный материал к классу умеренной морозоустойчивости.
Таким образом, полученные результаты по подбору оптимального состава минерального вяжущего на основе смеси портландцемента и молотого гранулированного шлака ПАО «Северсталь» указывают на возможность его широкого использования при возведении зданий и сооружений в условия Арктики. Необходимо также отметить хорошие перспективы использования молотых доменных шлаков и в качестве добавки к портландцементам в концентрациях менее 40 % масс. В частности, авторами [6] было показано, что портландцементы позволяют получать показатель морозостойкости F50–F150, при этом введение в состав цемента молотого шлака приводит к существенному повышению этого показателя.
Литература
1. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности. Ростов н/Д.: Феникс, 2007. 368 с.
2. Алоян Р.М. Использование отходов теплоэнергетической промышленности Дальнего Востока в технологии строительных материалов: уч. пособие / Р.М. Алоян, С.В. Федосов, Л.А. Опарина, Н.И. Ярмолинская – Хабаровск: изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2000. – 96 с.
3. Горшков В.С., Александров С.Е., Иващенко С.И. и др. Комплексная переработка и использование металлургических шлаков в строительстве. – М.: Стройиздат, 1985. – 272 с.
4. Khaydarov Bekzod, Suvorov Dmitrii, Pazniak Anna, Kolesnikov Evgeniy, Gorchakov Vyacheslav, Mamulat Stanislav, Kuznetsov Denis. Efficient method of producing clinker-free binding materials using electromagnetic vortex milling. Materials Letters, Volume 226, 1 September 2018, Pages 13–18.
5. Khaidarov, B.B., Suvorov, D.S., Lysov, D.V., Luchnikova, G.G., Druzhinina, M.E., Kuznetsov, D.V., Bychkov, A.V., Burmistrov, I.N., Mamulat, S.L. Investigation of Mineral Hydraulic Binders Based on the Slag-Cement System Obtained with the Use of Vortex Electromagnetic Homogenization (2021) Refractories and Industrial Ceramics, 62 (1), pp. 103–107.
6. Трофимов Б.Я., Крамар Л.Я., Шулдяков К.В. Влияние количества шлака в цементе на морозостойкость тяжелого бетона //Строительные материалы. – 2013. – № 9.
