XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка цементно-вяжущего карбонатного твердения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Байкова А.Е. 1Дмитриев М.А. 1

---

1МБОУ "средняя общеобразовательная школа №2"

Москалева А.И. 1Корчунов Иван Васильевич 2

---

1МБОУ "средняя общеобразовательная школа №2"

2РХТУ им. Менделеева

Работа в формате PDF

350.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Цемент изготавливают из известняка, глины и железистого компонента. При производстве специальных видов цементов, не общестроительных, можно использовать шлак. Основное назначение шлаков в строительстве — минеральная добавка/заполнитель (в зависимости от крупности).

Шлаковые отвалы - очень большая экологическая проблема. В результате работы заводов образуются шлаковые отвалы, отравляющие атмосферу. Использование шлаков во вторичном производстве позволит улучшить экологическую систему. Помимо этого, если увеличить область использования шлаков во вторичном производстве — за низкую себестоимость можно получить дешевый материал для производства материалов карбонатного твердения.

Шламовые отходы, образующиеся при буровых работах, добыче и переработке руды, представляют опасность для окружающей среды и человека, так как пыль обладает токсичными свойствами.

И хотя вода и почва могут очищаться от пыли, это не помогает с борьбой против нерастворимых в воде частиц. Для восстановления нормального состава потребуется от 30 до 50 лет. Шлам относят к третьему классу опасности или иначе “умеренно опасные отходы. ³

В качестве исходного материала при прессовании изделия в данной исследовательской работе взяты отходы сталелитейной и каменной промышленности — «Доменной гранулированный шлак» и «Ачинский шлам»

Доменный шлак получают путём быстрого водного охлаждения шлакового раствора, образованного при плавке железной руды, чугуна или иных металлов, обширно использующихся в металлургии.

Цель: Разработка состава вяжущего состоящего преимущественно из вторичного сырья, способного набирать прочность при автоклавной обработке в среде углекислого газа

Задачи:

1. Изучение влияния процесса карбонизации на прочность доменного гранулированного шлака

2. Определение оптимальных параметров прессования образцов

3. Выбор оптимального состава

Глава 1.

Техногенные минеральные образования.

Одним из наиболее опасных источников загрязнения природной среды являются техногенные минеральные образования (ТМО), формирующиеся в результате промышленной деятельности человека. Ежегодно мировая промышленность извлекает из недр Земли около 10 миллиардов тонн твердых веществ, 70% которых в последствии становятся отходами при производстве промышленной продукции. Расчёты показывают, что на территории России и стран СНГ запасы шлаковых отвалов достигают более 500 млн. тонн ⁴

Шлак — это расплавленная или застывшая масса различных примесей, золы и флюсов, являющаяся побочным продуктом при различных металлургических процессах. Основным методом получения шлака является переплавка песка со смесью или пылью металла, при котором выход чистого продукта составляет 75%, а примерно 25% будет являться вторичным продуктом в виде шлака.

Шлам — это тонко измельчённые сырье или отходы при инженерной разработке горного продукта, составляющие пылевые и мельчайшие его части, получаемые специально в различных размалывающих аппаратах или в виде осадка при промывке какого-либо рудного материала.

Шлак и шлам отличаются способами их появления. Шлак - это отход производства в металлургии. А шлам - это отход каменной промышленности.

Складирование, захоронение данных отходов является крупной экологической и экономической проблемой. Рост индустриализации идет очень быстро, количество заводов увеличивается, а вместе с ними растёт и количество отходов.

На сегодняшний день актуальной проблемой является утилизация шлама Ачинского глиноземного комбината. Ежегодные объемы образования составляют примерно 6–7 млн т в год. Общий объем накопленных отходов

оценивается в пределах 220 млн т. При этом использование нефелинового

шлама в качестве вторичного материального ресурса не превышает 200–300 тыс. т в год.⁵

Карбонатное твердение.

В зависимости от вида извести и условий, в которых происходит ее твердение, различают три типа твердения: карбонатное, гидратное и гидросиликатное. В данной работе рассматривался процесс карбонатного твердения.

Карбонатным твердением называют процесс постепенного затвердевания растворных или бетонных смесей, изготовленных на гашеной извести, при воздействии на них углекислоты. Твердение при этом обусловлено одновременным протеканием двух процессов: кристаллизации гидроксида кальция из насыщенного водного раствора и образования карбоната кальция.

При испарении воды из раствора гелевидная масса известкового теста уплотняется и упрочняется.

Кристаллики образующегося   карбоната  срастаются друг с другом, с частичками Са(ОН)₂ и песка, обусловливая твердение. Объем твердой фазы увеличивается, что приводит к дополнительному уплотнению и упрочнению, твердеющего раствора.

Испарение влаги и карбонизация растворов протекают очень медленно. Последняя захватывает преимущественно поверхностные слои, что объясняется малой концентрацией С0₂ в воздухе (0,03 %) и большой плотностью пленки образующегося карбоната, сильно затрудняющей дальнейшее проникание углекислоты к внутренним слоям раствора.²

Обработка цемента углекислым газом.

Цементная отрасль способствует выбросу 7% СО₂ от общего мирового объема. Сам по себе углекислый газ не вреден для окружающей среды. Наоборот, он является одним из главных элементов процесса жизнедеятельности растений. Они поглощают СО₂, перерабатывают его и

выделяют в атмосферу кислород. Но если диоксида углерода становится слишком много, он начинает играть роль в тепловой изоляции для планеты. Излучение Солнца свободно проходит через атмосферу, но вот обратно, в космос, уходит тем меньше тепловой энергии, чем больше парниковых газов в газовой оболочке Земли. Поверхность планеты начинает нагреваться, изменяются климат природы. Таким образом, если наладить сбор СО₂ с производственных предприятий и внедрить технологию его использования в качестве среды обработки полуфабрикатов изделий строительного назначения (кирпичей, блоков, бордюров и т. д.) — можно из отхода извлекать пользу.

Карбонизация даёт дополнительный прирост устойчивости и прочности материалу, так как образующаяся соль – карбонат кальция - малорастворимое в воде вещество. Углекислый газ реагирует с гидроксидом кальция, продуктом гидратации цемента в цементном тесте. В результате реакции образуется карбонат кальция (известь). Конечный результат нескольких стадий образования карбоната кальция можно упрощено описать следующей реакцией, которая считается необратимой:

Ca(OH)₂+CO₂+H₂O=CaCO₃+2H₂O

Конверсия СО2 в твердые минералы карбоната кальция позволяет связывать СО2 в цементе и не высвобождать его в атмосферу.

Практическая часть.

Приготовление смеси.

Было отмерено на весах 30 г «Доменного шлака» и «Ачинского шлама».

Отмеренный шлак поместили в ступку и перемололи пестиком. Просеяли через сито.

«Ачинский шлам» имеет «мягкую» структуру и не требует дополнительного измельчения.

Было приготовлено 16 образцов. 8 из них содержали в составе «доменный шлак», а 8 образцов содержали «Ачинский шлам».

Таблица 1 «Приготовление смеси».

Основное назначение пластификаторов – увеличение подвижности цементной и бетонной смеси, что обеспечивает уменьшение энерго- и трудозатрат при укладке бетона в монолитные строительные конструкции, сборные железобетонные изделия, способствует интенсификации технологического процесса и повышению качества продукции. При введении в состав бетона шлака и шлама требуется добавка пластификатора 0,7%

Все вещества были тщательно перемешаны

Прессование.

Каждую смесь помещали в пустотелый металлический цилиндр с толщиной стенок около двух сантиметров, предварительно подложив под него крышку с выступом, представляющим собой пробку, вставили в данную конструкцию поршень (другой металлический цилиндр, диаметром такой же, как отверстие в основном цилиндре) и отправили под пресс.

Давление прессования было 1000/S, 2000/S, 3000/S и 5000/S.

Таблица 2. «Исследование свойств образцов на прочность»

3. Обработка углекислым газом –Карбонизация.

8 образцов из шлаков и шламов после прессования помещают в автоклаву. В неё из газового баллона под большим давлением подаётся углекислый газ и насыщенный пар под высокой температурой в 174,5-200⁰С. Так образцы становился плотнее и тверже. Через 6 часов получены готовые образцы.

Остальные 8 образцов оставались на воздухе 28 суток.

Исследование свойств.

Готовые образцы были исследованы на прочность с помощью гидравлического пресса. Для того чтобы понять, что лучше использовать для строительства, шлак или шлам, и под каким давлением. Данные занесены в таблицу.

Табл. 3 «Исследование образцов на прочность после обработки СО₂»

При давлении выше 3000/S прочность при сжатии, у образцов стала снижаться.

Заключение.

Исходя от результатов самую высокую прочность из полученных образцов, а следовательно и практичность имеет смесь «Доменного шлака» с примесями эфира целлюлозы 0,1% от массы извести, пластификатора 0,7% от массы извести и воды 13% от массы извести, которую подвергли давлению в 3000/S МПа и провели через процесс карбонизации. Прочностной максимум у продукта при этом равен 45,7 МПа.

Образцы, в составе которых имеется Ачинский шлам, так же показали хорошую прочность после карбонизации при давлении 3000/S МПа.

Цель работы была достигнута, получен состав вяжущего карбонатного твердения из вторичного сырья, способного набирать прочность при автоклавной обработке в среде углекислого газа.

Список использованных источников

https://www.voscem.ru/articles/cement-vidy/snapolnitelem/karbonatny/

http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-72/30.htm

https://utilizator.club/utilizaciya/shlam-chto-eto-takoe-degidratatsiya-utilizatsiya-vliyanie-na-ekologiyu

https://t-nauka.ru/304-2/

Степанова М.Л., Маркелов Н.А., Гафаров М.Ш., Мейланова М.Н., Васильева М.Н., Никифорова Э.М., Еромасов Р.Г.   «Комплексное использование нефелинового шлама в производстве строительных материалов».

ГОСТ 3476_2019

ГОСТ 31108-2020

Шморгуненко Н.С., Корнеев В.И. Комплексная переработка и использование отвальных шламов глиноземного производства: учеб. пособие. М.: Металлургия, 1982. 128 с.

 Столбоушкин А.Ю. Теоретические основы формирования керамических матричных композитов на основе техногенного и природного сырья // Строительные материалы. 2011. № 2. С. 10–13.

Плотников В.В., Ботаговский М.В. Исследование процессов получения теплоизоляционного пенобетона на основе механоактивированной в РПА бесцементной вяжущей композиции из гранулированного доменного шлака и нефелинового шлама // Инновации в строительстве – 2017: материалы международной научно-практической конференции. 2017. С. 97–102.

Е.А. Алмазовна «Разработка комплексной добавки для ускорения твердения цементного камня». Диссертация , М-2017 https://diss.muctr.ru/media/dissertations/2017/04/Диссертация_Еленова_А.А..pdf

Приложение.