VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014
ВЛИЯНИЕ МЕДНОГО ШЛАКА НА РАЗМАЛЫВАЕМОСТЬ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТОВ
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Ключевые слова: медеплавильный гранулированный шлак, минеральная добавка, вспомогательный компонент, цемент, помол, размалываемость, физико-механические свойства.
Медные шлаки образуются в качестве попутного продукта при выплавке медных и колчеданных руд, а также при переплавке медного лома. После грануляции они в основном складируются на отвале, загрязняя окружающую среду, и частично используются в составе сырьевой смеси портландцементного клинкера на некоторых цементных заводах, а также для получения абразивного порошка. Исследовали влияние добавки медеплавильного гранулированного шлака ОАО «Святогор» (МГШ) на размалываемость портландцементного клинкера ЗАО «Невьянский цементник», известняка Миньярского месторождения, доменного гранулированного шлака ОАО «Мечел» (ДГШ). Помол проводили в лабораторной барабанной мельнице с соотношением мелющих тел и измельчаемого материала по массе 5 к 1. Тонкость помола оценивали по остатку на сите № 008. При изучении размалываемости исследуемых материалов установлено, что при тонкости помола 5 % продолжительность измельчения МГШ на 19,8 и 38,8 % больше, чем у ДГШ и клинкера соответственно и в 3,5 раза в сравнении с известняком (рис. 3). Объяснением разной размалываемости материалов может быть различие в их твердости. Так МГШ имеет твердость по шкале Мооса 6-7, ДГШ – 5-6, клинкер – 5-7, известняк – 3.1 – МГШ; 2 – ДГШ; 3 – клинкер; 4 – известняк
Рисунок 1 - Кинетика помола сырьевых материалов
Одним из способов оценки размалываемости материалов является определение коэффициента размалываемости, т.е. отношение времени, необходимого для измельчения контрольного состава, ко времени, необходимому для помола материала с добавкой МГШ до той же степени дисперсности. Материал, характеризующийся высоким коэффициентом размалываемости, измельчается быстрее и с меньшим расходом электроэнергии, что повышает производительность мельницы. Установлено, добавка 5 % МГШ ускоряет помол клинкера (коэффициент размалываемости составляет 1,068) и не интенсифицирует измельчение известняка и доменного шлака (0,893 и 0,767 соответственно) по сравнению с пробами, не содержащими медный шлак (табл. 1).Таблица 1 - Влияние добавки медного шлака на размалываемость материалов
|
Материал |
Время и тонкость помола цементов |
Время помола цементов до равной дисперсности |
Коэффициент размалы-ваемости |
||
|
τц, мин. |
R008, % |
τц, мин. |
R008, % |
||
|
Клинкер |
200 |
6,42 |
203 |
6,14 |
1,000 |
|
Клинкер + 5 % МГШ |
190 |
6,14 |
190 |
6,14 |
1,068 |
|
Известняк |
65 |
5,8 |
67 |
6,0 |
1,000 |
|
Известняк + 5 % МГШ |
75 |
6,0 |
75 |
6,0 |
0,893 |
|
ДГШ |
210 |
4,8 |
184 |
4,2 |
1,000 |
|
ДГШ + 5 % МГШ |
240 |
4,2 |
240 |
4,2 |
0,767 |
В соответствии с ГОСТ 31108-2003 в состав общестроительных цементов для улучшения технологии помола или физико-механических свойств допускается введение вспомогательного компонента минеральной добавки в количестве до 5 %.
Для получения цементов использовали клинкер ЗАО «Невьянский цементник», ДГШ ОАО «Мечел» и зола-уноса (ЗУ) Рефтинской ГРЭС ‒ в качестве основных минеральных добавок, МГШ ОАО «Святогор» ‒ в качестве вспомогательного компонента, гипсоангидривовый камень Ергачинского месторождения ‒ для регулирования схватывания цементов.
Исследованная проба МГШ имела черный цвет, влажность до 1,0 % и следующий зерновой состав, мас. %: более 5 мм – 1,0; 2,5-5 мм – 4,0; 1,25-2,5 мм – 11,3; 0,63-1,25 мм − 48,6; 0,16-0,63 мм – 32,5; менее 0,16 мм – 2,5. Истинная плотность шлака 3,52 г/см³, насыпная плотность – 1660 кг/м³, твердость по шкале Мооса 6-7, химический состав, мас. %: +4,06 ∆mпрк; 32,53 SiО2; 4,93 А12О3; 43,56 FeО; 5,62 СаО; 1,65 MgO; 4,15 SО3; 0,16 ТiО2; 0,05 МnО. Фазовый состав представлен в основном стеклофазой, фаялитом и магнетитом.
Подобраны 11 составов общестроительных цементов пяти типов с добавкой МГШ в количестве 5 % в качестве вспомогательного компонента минеральной добавки вместо клинкера (табл. 2).
Таблица 2 - Состав исследованных цементов
|
Номер состава |
Вид цементов |
Тип цементов |
Вещественный состав, мас. % |
||||
|
Клинкер |
ДГШ |
ЗУ |
МГШ |
Гипс |
|||
|
1 |
Портландцемент |
ЦЕМ I |
100 |
- |
- |
- |
4 |
|
2 |
95 |
- |
- |
5 |
4 |
||
|
3 |
Портландцемент с минеральными добавками |
ЦЕМ II/А-Ш |
85 |
15 |
- |
- |
4 |
|
4 |
80 |
15+5 |
- |
- |
4 |
||
|
5 |
80 |
15 |
- |
5 |
4 |
||
|
6 |
Шлакопортланд-цемент |
ЦЕМ III/А |
60 |
40 |
- |
- |
4 |
|
7 |
55 |
40 |
- |
5 |
4 |
||
|
8 |
Пуццолановый цемент |
ЦЕМ IV/A |
75 |
- |
25 |
- |
4 |
|
9 |
70 |
- |
25 |
5 |
4 |
||
|
10 |
Композиционный цемент |
ЦЕМ V/A |
70 |
15 |
15 |
- |
4 |
|
11 |
65 |
15 |
15 |
5 |
4 |
||
Помол цементов проводили в лабораторной шаровой мельнице до остатка на сите № 008 5,7-6,7 %. Установлено, что добавка МГШ ускоряет помол портландцемента состава № 2 по сравнению с составом № 1 при равной дисперсности на 6,8 %, цемента состава № 5 по сравнению с составом № 3 – на 5,3 % (рис. 2). Использование ДГШ в качестве вспомогательного компонента (состав № 4) вместо МГШ ускоряет помол цемента на 6,4 %. Введение медного шлака в состав шлакопортландцемента сокращает продолжительность помола на 1,5 %, пуццоланового цемента – на 9,1 %, композиционного цемента – увеличивает продолжительность помола на 5,3 % при равной дисперсности вяжущих.
Исследование гранулометрического состава цементов показало, что добавка МГШ изменяет их зерновой состав: снижает количество крупных частиц фракции 30-80 мкм и увеличивает содержание более мелких частиц размером менее 30 мкм, что повышает удельную поверхность цементов (табл. 3).
Таблица 3 - Результаты физико-механических испытаний цементов
|
Номер состава |
Содержание SО3 в цементе, мас. % |
Содержание частиц фракции, мкм, мас. % |
Тонкость помола, мас. % |
Удельная поверхность, м2⁄кг |
Истинная плотность, г/см3 |
|||||
|
менее 5 |
5-30 |
30-50 |
50-80 |
80-100 |
более 100 |
|||||
|
1 |
2,31 |
20,0 |
49,2 |
14,0 |
10,4 |
2,9 |
3,5 |
6,42 |
337 |
3,18 |
|
2 |
2,59 |
20,5 |
49,4 |
13,8 |
10,1 |
2,8 |
3,4 |
6,14 |
359 |
3,19 |
|
3 |
2,48 |
20,8 |
47,6 |
15,1 |
10,7 |
2,7 |
3,1 |
5,68 |
368 |
3,11 |
|
4 |
2,52 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
5,76 |
343 |
3,10 |
|
5 |
2,68 |
21,2 |
47,0 |
14,6 |
10,5 |
3,3 |
3,4 |
6,66 |
344 |
3,12 |
|
6 |
2,63 |
19,1 |
44,6 |
17,1 |
12,9 |
3,2 |
3,1 |
6,26 |
325 |
2,98 |
|
7 |
2,82 |
19,8 |
45,2 |
16,9 |
12,2 |
3,1 |
2,8 |
5,74 |
350 |
3,00 |
|
8 |
2,39 |
22,9 |
43,9 |
15,3 |
11,6 |
3,0 |
3,3 |
6,24 |
460 |
3,12 |
|
9 |
2,58 |
23,0 |
44,1 |
15,1 |
11,5 |
3,2 |
3,1 |
6,20 |
464 |
3,14 |
|
10 |
2,49 |
21,7 |
44,0 |
15,7 |
11,9 |
3,0 |
3,3 |
6,16 |
441 |
3,07 |
|
11 |
2,67 |
21,9 |
43,9 |
15,9 |
11,7 |
3,1 |
3,5 |
6,56 |
437 |
3,09 |
Добавка медного шлака незначительно увеличивает содержание SО3 в цементах и практически не влияет на их истинную плотность. Все цементы удовлетворяют требованиям ГОСТ 31108-2003 по началу схватывания (табл. 4).
Прочность цементов определяли через 7 и 28 суток твердения образцов в воде, а также после пропаривания. Установлено, что добавка МГШ уменьшает прочность, как при нормальном твердении, так и после пропаривания, как при изгибе, так и при сжатии, что указывает на отсутствие гидравлической активности шлака, т.е. отвальный медеплавильный шлак может быть классифицирован как наполнитель в составе цементов.
Добавка МГШ в ранние сроки твердения снижает предел прочности при сжатии цементов в меньшей степени, чем в поздние сроки. Так, прочность при сжатии портландцемента ЦЕМ I через 7 суток водного твердения уменьшается на 7,5 %, а через 28 суток − на 12,1 %, у портландцемента ЦЕМ II соответственно − на 23,0 и 10,4 %, щлакопортландцемента типа ЦЕМ III − на 8,5 и 7,4 %, пуццоланового цемента ЦЕМ IV - на 25,2 и 24,8 %, композиционного цемента ЦЕМ V - на 8,7 и 7,0 %. Показано, что все цементы по прочностным характеристикам удовлетворяют требованиям ГОСТ 31108-2003 (табл. 4).
Таблица 4 - Результаты испытаний цементов по ГОСТ 30744-2001
|
Номер состава |
НГ, мас. % |
Сроки схватывания, ч-мин. |
Предел прочности, МПа, через, сут. |
Предел прочности после пропаривания, МПа, при |
|||||
|
при изгибе |
при сжатии |
||||||||
|
начало |
конец |
7 |
28 |
7 |
28 |
изгибе |
сжатии |
||
|
1 |
25,94 |
2-50 |
4-00 |
3,66 |
7,58 |
22,8 |
40,3 |
3,69 |
27,3 |
|
2 |
25,94 |
3-15 |
4-30 |
2,95 |
7,14 |
21,1 |
35,4 |
3,94 |
24,0 |
|
3 |
26,15 |
2-25 |
3-40 |
4,97 |
7,17 |
23,9 |
36,6 |
4,06 |
26,8 |
|
4 |
26,67 |
2-55 |
3-30 |
4,86 |
6,97 |
19,0 |
35,4 |
4,79 |
30,0 |
|
5 |
27,44 |
3-00 |
4-00 |
4,35 |
6,49 |
18,4 |
32,8 |
3,88 |
22,3 |
|
6 |
25,47 |
1-40 |
4-00 |
3,34 |
5,46 |
12,9 |
24,4 |
4,92 |
28,3 |
|
7 |
25,56 |
2-00 |
4-20 |
3,13 |
5,40 |
11,8 |
22,6 |
4,42 |
26,9 |
|
8 |
30,31 |
2-30 |
4-00 |
4,07 |
6,87 |
15,5 |
31,9 |
5,04 |
33,6 |
|
9 |
29,69 |
2-30 |
5-10 |
2,74 |
5,78 |
11,6 |
24,0 |
5,41 |
28,8 |
|
10 |
28,44 |
2-20 |
4-10 |
3,95 |
5,78 |
13,8 |
25,6 |
4,49 |
27,2 |
|
11 |
27,81 |
2-20 |
5-20 |
3,08 |
4,86 |
12,6 |
23,8 |
4,42 |
26,2 |
Таким образом, показана возможность применения гранулированного медного шлака ОАО «Святогор» в качестве вспомогательного компонента минеральной добавки в составе портландцемента типа ЦЕМ I, шлакопортландцемента типа ЦЕМ III и композиционного цемента типа ЦЕМ V.