graduate student from 01.01.2018 until now
Moskva, Moscow, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
employee from 01.01.2010 until now
Moskva, Moscow, Russian Federation
employee
Hanoy, Vietnam
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
OKSO 08.04.01 Строительство
BBK 303 Сырье. Материалы. Материаловедение
TBK 5415 Строительные материалы и изделия. Производство стройматериалов
Blast furnace slag is a waste of metallurgical industry which can be used in production technology of concretes and mortars. The expedient use of blast furnace slag as a component for new building materials will improve the environmental situation and increase the economic efficiency of production. The authors reaserch blast furnace slag processing technology of factories "Hoa Phat" (Vietnam) and "Thai Nguyen" (Vietnam) to produce mineral additives. As a result of the conducted researches the chemical and mineralogical composition of slags are received, their physical and mechanical characteristics are considered and defined: specific surface area, density, water demand, and others. According to standard of Vietnam and Russia, slag activity index is calculated when considering the possibility of using blast furnace slags to replace part of the binder. The relationship between the strength of the cement-sand mortar and density affected by the binder are reveald (where; binder = Portland cement + Granulated blast furnace slag). Comparison chart of slag activity index IR (%) has been shown. The paper uses the Vietnamese standard TCVN 11586: 2016 to analyze the possibility of using blast furnace slag (Vietnam) in the technology of concrete and mortar construction.
granulated blast furnace slag, cement, industrial waste, complex binder, active mineral additive, slag activity index
Введение. Промышленные отходы, в том числе топливные, являются очень серьезной причиной возникновения проблем экологического характера, вызывающих загрязнение почвы, воды и воздуха во всех провинциях Вьетнама [1]. При этом, уровень повторного использования техногенных отходов весьма ограничен и составляет всего 2…5 % от общего количества вырабатываемых промышленных отходов [2, 3]. Согласно [4], на вторичном сырье при соблюдении определенных условий можно получить бетоны с высокими эксплуатационными характеристиками.
В технологии современных бетонов Вьетнама многие отходы промышленности (золы, шлаки и т.д.) используются как добавки в бетонные смеси для уменьшения расхода вяжущего и решения экологических проблем [2].
Во Вьетнаме по данным [5] каждый год, производство шлака от металлургической промышленности составляет 45÷55 миллионов тонн в год. Доменный шлак (ДШ) после определенной переработки используют для изготовления черепицы, кирпича, в качестве наполнителя для бетонной смеси, и как активную минеральную добавку, в том числе и для вяжущих – цементов.
Каждый год, мировое производство цемента около 3 млрд. т/год [6], в то время, как во Вьетнаме эта цифра составляет 99 млн. т/год [7]. Изготовление цемента – процесс не только дорогостоящий, но и энергоемкий, что влечет к климатическим изменениям на территории Вьетнама - способствует возникновению парникового эффекта. При соблюдении всех нормативных требований к вяжущему веществу в технологии производства бетона часть цемента можно заменить подходящим по составу специально переработанным шлаком. Та как рассматриваемые нами шлаки по своему химико-минералогическому составу (соотношением SiO2, Al2O3 и CaO) имеют реакционную способность, то замена ими части клинкера, позволит снизить стоимость вяжущего, уменьшить потребление электроэнергии и выделяемого тепла при производстве композиционного вяжущего вещества.
По данным исследования [8, 9] использование промышленных отходов в производстве бетонов может решить следующие актуальные вопросы:
- Уменьшить стоимость готовой строительной продукции из вторичного сырья на композиционном вяжущем.
- Расширить материально-сырьевую базу для производства строительных материалов.
- Уменьшить потребность в первичных сырьевых ресурсах.
- Снизить капитальные затраты на организацию хранения отходов.
- Создать высокотехнологичные производства и обеспечить местное население новыми рабочими местами.
- Утилизировать существующие свалки промышленных отходов.
- Улучшить экологическую обстановку в промышленных зонах, где складируются отходы.
- Улучшить условия жизни населения и животных.
На данный момент во Вьетнаме доменные шлаки применяют как добавку для бетонов и строительных растворов, однако исследований по доменным шлакам «Хоа Фат» и «Тхаи Нгуен» немного [1, 10].
По данным исследования [11] доменным шлаком можно заменить 5…30 % от части цемента. В данной работе авторами предложено возможность использования доменных шлаков в качестве активной минеральной добавки в количестве 10… 30 % от массы портландцемент.
Материалы:
- портландцемент (Ц) ЦЕМ I 42,5 Н производства завода «Там Диеп» (Вьетнам), истинной плотностью 3,14 г/см3 химико-минералогический состав приведен в табл. 1, соответствовал требованиям ГОСТ 30515-2013 и TCVN 2682:2009;
- кварцевый песок (П) реки Ло (Вьетнам) с модулем крупности MK = 3,0 истинной плотностью 2,66 г/см3 и средней насыпной плотностью (в уплотненном состоянии) 1650 кг/м3. Песок I класса в соответствии с ГОСТ 8736-2014 и TCVN 7570:2006;
- Гранулированный доменный шлак (ГДШ) «Хоа Фат» и ГДШ «Тхаи Нгуен» представлены в табл. 2 и 3, соответствуют требованиям ГОСТ 3476-74;
- вода (В) затворения соответствующая требованиям ГОСТ 23732-2011 и TCVN 4506:2012.
Методология. Возможность использования шлака оценивалась по требованиям стандарта TCVN 11586:2016 «Доменный шлак мелкий для бетона и раствора»;
- индекс активности шлака в растворных смесях определяли в соответствии с требованиями стандарта TCVN 11586:2016;
- прочность бетонов на сжатие определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-2012 и TCVN 10303:2014;
- определение влажности доменного шлака проводили по ГОСТ 13586.5-2015 и TCVN 7572-7:2006;
Основная часть. Исследовались свойства доменного шлака (ДШ) полученного при выплавке чугуна, так как в исходной железной руде содержатся глинистые примеси, а в коксе – зола. В рамках проведенного исследования, для удаления примесей из исходного сырья, в доменную шихту вводили флюсы - карбонаты кальция и магния.
Рис. 1. Технологическая схема получения ГДШИспользованный в работе ДШ был получен с завода, технологическая схема производства приведена на рис. 1. ДШ сушился в лабораторной печи при Т = 100±10 oС в течении 4 ч., после в вибрационной мельнице (Модель SM500x500, Китай) в течение 2 ч. материал мололи для получения гранулированного доменного шлака (ГДШ) в виде тонкого порошка (рис. 1 и табл.2).
Химическо-минералогический состав и физико-механические характеристики портландцемента и полученного ГДШ приведены в табл. 1 и 2.
Согласно TCVN 11586:2016 «Требования технические гранулированного доменного шлаков для бетона и раствора», приведены в табл. 3.
Из приведённых в табл. 1–3 экспериментальных результатов следует, что по химическому составу и физико-механическим свойствам ГДШ «Хоа Фат» и ГДШ «Тхаи Нгуен» удовлетворяют требованиям стандарта TCVN 11586:2016 и ТУ 0799-001-99126491-2013.
Индекс активности гранулированного доменного шлака (IR, %) представляет собой отношение прочности на сжатие образца из цементно-песчаного раствора, где часть вяжущего, цемента, заменена ГДШ (R2), к прочности на сжатие контрольного, без добавочного цементно-песчаного раствора (R1). Индекс активности доменного шлака рассчитывали по формуле (1), приведённой в стандарте TCVN 11586:2016.
, (1)
где 
– индекс активности доменного шлака, %; 
– прочность на сжатие контрольных образцов выполненных на бесдобавочном цементно-песчаном составе в возрасте 28 суток, МПа; 
– прочность на сжатие образцов из цементно-песчаных растворов, где часть вяжущего заменена на ГДШ, в возрасте 28 суток, МПа.
Экспериментальные образцы изготавливали на цементно-шлаково-песчаных растворах при соотношениях Вяж : П = 1:3 (где Вяж – вяжущее вещество, Вяж =(Ц + ГДШ) (процентное соотношение цемента к доменному шлаку в вяжущем приведены в таб. 4). Контрольный состав – цементно-песчаный раствор, без каких-либо добавок и примесей. В соответствии с требованиями стандарта ГОСТ 30744-2001 и TCVN 2682:2009 и исследований [1, 9, 11] принимали ГДШ/Ц = 1/10 ÷ 3/10. На каждом составе формовали по 3 балочки 40×40×160 мм, которые после твердения в нормальных условиях, испытывали на прочность на сжатие (рис. 2 и 3).
Результаты проведенных прочностных испытаний сведены в таб. 5, где отражено как количество вводимых доменных шлаков влияет на прочность двух типов, плотность смеси и индекс активности полученного состава бетона.
Полученные результаты испытаний использовали для расчёта индексов активности IR, % (табл. 5 и рис. 4 и 5).
Из рис. 4 и 5 видно, что:
- При замене части цемента 1/10 ГДШ «Хоа Фат» можно получить вяжущее с IR соответствующем С60, С75, С95, а на ГДШ «Тхаи Нгуен» - С60, С75.
- Если соотношение ГДШ увеличить 2/10 ÷ 3/10 Вяж, можно получить ГДШ = 2/10 и 3/10 IR соответствующем С60, С75 на шлаке обоих образцов.
- Индекс активности по прочности на сжатие ГДШ «Хоа Фат» всегда выше ГДШ «Тхаи Нгуен». Это можно объяснить тем, что в ГДШ «Хоа Фат» содержится больше аморфного кремнезёма, 36,12%, который способен связать свободный гидроксид кальция (CH) в меньше растворимые низкоосновные гидросиликаты кальция (CSH). Данный процесс повышает водоудерживающую способность бетонной смеси и ведет к уплотнению структуры тела бетона, что, в свою очередь, влияет на увеличение прочности на сжатие.
Выводы. По мимо вышеизложенного, можно сказать, что: рассмотренные доменные шлаки могут применяться в производстве строительных материалов в качестве тонкомолотых активных минеральных добавок, заменяющих часть цемента (до 30 %), в технологии бетонов и строительных растворов.
Кроме того, ГДШ можно заменить ввозимые в страну активных минеральных добавки, используемые в настоящее время во Вьетнаме для получения строительных растворов и бетонов, что позволит снизить их стоимость и способствовать улучшению экологической ситуации.
1. Nguyen Thanh Sang, Le Thi Trang. Designing cement concrete composition using high-strength blast furnace slag in bridge construction. Journal Bridges and Roads of Vietnam. 2012. No. 1+2. Pp. 62–65.
2. Pham Chi Cuong. Utilization of metallurgical industry wastes in Vietnam. Vietnam Science Journal. 2012. No. 6(10). Pp. 52–54.
3. Government Office. Conclusions of the Prime Minister on the implementation of the production program for the disposal of unburned materials and the use of ash, slag and gypsum - waste of thermal power plants and chemical plants. Announcement No. 218/TB-VPCP, Ha Noi, 17/06/2013, 3 p.
4. Bazhenova S.I., Alimov L.A. High-quality concretes using industrial waste [Vysokokachestvennyye betony s ispol'zovaniyem otkhodov promyshlennosti]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2010. No. 1. Pp. 226–230. (rus)
5. Lam Tang Van, Tho Vu Dinh, Dien Vu Kim, Boris Bulgakov, Olga Aleksandrova and Sophia Bazhenova. Combined Effects of Bottom Ash and Expanded Polystyrene on Light-weight Concrete Properties. MATEC Web of Conferences. 2018. 251, 01007. https://doi.org/10.1051/matecconf/201825101007.
6. Yu Lei, Qiang Zhang, Chris Nielsen, Kebin He. An inventory of primary air pollutants and CO2 emissions from cement production in China, 1990-2020. Atmospheric Environment. 2011. Vol. 45. Pp. 147–154. DOI:10.1016/j.atmosenv.2010.09.034.
7. Chau An. Dự báo sản lượng tiêu thụ xi măng năm 2019 “Cement Consumption Forecast for 2019” [Electronic resource]. https://cafeland.vn/tin-tuc/nam-2019-san-luong-tieu-thu-xi-mang-se-dat-95-trieu-tan-77913.html. (date: 16.01.2019).
8. Tang V.L., Ngo X.H., Bulgakov B.I., Aleksandrova O.V., Larsen O.A., Orekhova A.Yu., Tyurina A.A. Use of ash and slag waste as a supplementary cementing material [Ispol'zovaniye zoloshlakovykh otkhodov v kachestve dopolnitel'nogo tsementiruyushchego materiala]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2018. No. 8. Pp. 19–27. (rus). https://doi.org/10.12737/article_5b6d58455b5832.12667511.
9. Tang V.L., Bulgakov B.I., Aleksandrova O.V., Larsen O.A. The possibility of using ash residues for the production of building materials in Vietnam [Vozmozhnost' ispol'zovaniya zol'nykh ostatkov dlya proizvodstva materialov stroitel'nogo naznacheniya vo V'yetname]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2017. No. 6. Pp. 06–12. (rus) https://doi.org/10.12737/article_5926a059214ca0.89600468
10. Ngo Van Toan. Research on the production of high-strength concrete using fine sand and mineral additives mixed with activated blast-furnace slag and rice husk ash. Magazine Building Materials – Environment. 2012. No. 4. Pp. 36–45.
11. Isa Yu¨ksel, Turhan Bilir, O¨mer O¨zkan. Durability of concrete incorporating non-ground blast furnace slag and bottom ash as fine aggregate. Building and environment, 2007(42) 2651–2659. DOI:10.1016/j.buildenv.2006.07.003.
12. Nour T.A., Hamdy A.E., Amel A.E. Utilization of by-pass cement kiln dust and air-cooled blast-furnace steel slag in the production of some ‘‘green” cement products. HBRC Journal, 2018 (14), pp 408–414. DOI:10.1016/j.hbrcj.2017.11.001.
