Активизация шлака путем более тонкого измельчения до удельной поверхности 2000–3000 м2/кг позволяет использовать его для дорожного строительства. Полученные шлакогрунтовые композиции характеризуются высокими эксплуатационными, экологическими и экономическими свойствами.
Ключевые слова: металлургический шлак, шлакоминеральная смесь, удельная поверхность, активизатор, грунт, прочность, структурообразование, водостойкость, виброуплотнение.
Значение автомобильных дорог трудно переоценить, они являются главной транспортной артерией, обеспечивающей сообщение меж регионами страны. Развитие сети автомобильных дорог и повышение их технико-эксплуатационных качеств вызвано бурным ростом автомобильного транспорта, количеством перевозимого груза и экономическим подъемом. Быстрое и безопасное движение транспорта во многом зависит от качества дорожного полотна и, прежде всего от деформативности основания линейного сооружения.
Асфальтобетонные покрытия дорог федерального уровня и городских улиц являются на сегодняшний день основным типом. Эти покрытия недостаточно устойчивы и долговечны, на них появляются сдвиги, трещины, выбоины, и другие дефекты которые приводят к отказам дорожного полотна. Все это обуславливает проведение дорогостоящих ремонтных работ, особенно в зимнее — весенний и осеннее — зимние периоды.
Не случайно в последние годы дорожники обратили пристальное внимание на соответствие качества дорог качеству используемых строительных материалов. Особенно это касается тех регионов, где нет своих высокопрочных горных или обломочных пород, где нет крупных песков. Такова и Пензенская область. В Пензенской области проходит автодорога федерального значения Москва-Челябинск. Для ее ремонта и реконструкции используется привозной гранитный щебень Уральского региона. В Пензенской области лишь в Иссинском районе добывают известковый щебень, который идет на строительство местных дорог. Его заявленная марка колеблется 600–400, хотя по нормам min необходимая 800. Поэтому дороги построенные на таком щебне не удовлетворяют технико-эксплуатационным параметрам.
В связи с этим остро встал вопрос, как повысить качество дорожного основания и не в ущерб экологии заменить дорогостоящие материалы (привозной гранитный щебень), необходимые для строительства автодороги более дешевыми.
Целью нашего исследования была разработка новых материалов для использования в дорожном строительстве, при этом решая такие проблемы как снижение технико-экономических показателей по устройству дорог, решение экологической проблемы, утилизация отходов химической и металлургической промышленности.
Для полного удовлетворения этих требований целесообразно использовать наряду с кондиционными материалами и современными технологиями ведения работ побочные продукты металлургического и химического производства. Которые, в свою очередь, позволят расширить номенклатуру выпускаемых изделий, снизят технико-экономические показатели по устройству дорог в два раза и решат экологические проблемы регионов.
Одним из перспективных направлений является укрепление дорожного полотна минеральными вяжущими на основе молотых металлургических шлаков, а также устройства монолитных бетонных покрытий.
Что такое шлак [1,2] — это отходы металлургического производства, которых в процессе переработки железной руды образуется огромное количество, возникают проблемы его утилизации, хранения. Шлак занимает огромные площади, которые могли бы использоваться в с/х целях, под какие-либо сооружения. Кроме того, существует чисто психологическая проблема: жить и работать в регионе, который является свалкой отходов металлургической промышленность. Такое соседство не доставляет удовольствия никому.
Мы же предлагаем простой дешевый и безопасный способ утилизации шлаковых отходов. На основании ранее проведенных исследований, был сделан вывод, что в качестве вяжущего выступает тонкоизмельченная фракция гранулированного шлака, удельная поверхность которого должна быть не менее 280 м2/кг и максимально не более 500 м2/кг. Измельчение гранулированного шлака сверх 500 м2/кг экономически не выгодно.
Хотелось бы остановиться на особенностях процессов гидратации и твердения шлаковых вяжущих, т. к. все видели, что такое шлак, но в качестве вяжущего представить его поначалу сложно.
Фазовый состав шлаковых вяжущих в значительной степени отличается от клинкерных цементов. Если в состав портландцемента входят легко гидратирующиеся минералы С2S, C3S, C3A и C4AF, то доменные шлаки содержат стеклофазу и минералы с пониженной гидравлической активностью. Способность к гидравлическому твердению у большинства шлаков находится в открытом состоянии [3]. Для ускорения процессов гидратации в твердеющих шлаках применяются такие способы:
- введение активизирующих добавок;
- более тонкий помол шлака;
- пробуждение шлаков на бегунах;
- гидротермальная обработка.
Из перечисленных способов повышения гидравлической активности шлаков приемлемы все, кроме гидротермальной обработки при использовании его в качестве вяжущего для укрепления оснований дорог.
Активизирующие добавки представляют в различных соотношениях цемент, известь, гипс. Отдельно использование этих вяжущих экономически невыгодно.
Активизация шлака путем более тонкого измельчения до удельной поверхности 2000–3000 м2/кг еще изучается и в настоящее время имеются только лабораторные данные по изучению свойств таких вяжущих и привязки к местным условиям. В процессе измельчения твердых тел происходит деформация кристаллической решетки и разрыв ее ионных и ковалентных связей. Возникающая в момент разрыва связей новая поверхность энергетически не насыщена и покрыта электрическими зарядами с большой поверхностной плотностью. Насыщенные валентные связи поверхностей способны насыщаться, вследствие чего вновь образованные поверхности чрезвычайно химически активны
За рубежом шлаки [2,4] (немолотые) используются как заменитель щебня. За последние пять-шесть лет во Франции нашли широкое производственное применение немолотые доменные гранулированные шлаки в качестве материала для укрепления песка, щебня и гравийно-песчаной смесей. Такие смеси, как правило, готовятся в стационарных смесительных установках. В частности, на реконструкции магистральной дороги Нанси-Страсбург (1969г.) в гравелистом карьере была смонтирована смесительная установка производительностью 350 т/ч, которая готовила смесь, состоящую из щебня (гравия)-50 %, песка-30 %, гранулированного шлака-20 %, извести-2 %, воды- 8 %. Приготовленную смесь транспортировали к месту укладки, выставляли на одной стороне уширяемой дороги и разравнивали автогрейдером на ширину 3,5 м, по длине захватки около 250–300 м. Смесь уплотняли одним виброкатком и одним тридцатитонным пневмокатком. После пяти проходов по одному месту первого катка и 15 проходов второго была достигнута такая же плотность, что и у лабораторных образцов. При этом толщина слоя из шлакоминеральной смеси равнялась 25 см в уплотненном состоянии. Сразу после укатки по уложенной полосе дороги открывалось движение. Такая смесь обладает замедленными сроками твердения. Это связано с процессами гидратации доменного шлака, причем шлак становится активным только в мелкодисперсном состоянии. Набор прочности начинается в этих смесях через 5–8 суток после приготовления и уплотнения такой смеси. Прочность основания по данной технологии через 90 суток составляет 5,0–8,0 МПа. Такие смеси обладают хорошей устойчивостью, имеют высокую несущую способность и низкую деформативность. Стоимость шлакоминеральных смесей в два раза ниже, нежели равнопрочных им битумоминеральных.
На основании литературного обзора можно сказать, что вопрос использования для укрепления грунтов гранулированного шлака в виде известково-шлакового вяжущего изучены достаточно полно как в лабораторных, так и в производственных условиях, а использование для укрепления грунтов, молотых гранулированных доменных шлаков без добавок, по имеющимся данным, изучено не в полной мере.
Нами было установлено, что глинистые грунты, укрепленные шлакощелочным вяжущим (ШЩВ), представляют собой композиционные материалы, в которых грунт является активной составляющей, оказывающей положительное или отрицательное (тормозящее) действие на процессы кристаллизационного структурообразования в шлакогрунте.
Оптимальные условия твердения шлакового вяжущего и формирования процессов структурообразования в шлакогрунте создаются при избытке ионов в смеси, наличии гидрата окиси кальция, а, следовательно, и щелочной среды.
Выявлено, что использование комплексного активизатора — силиката натрия и щелочи в соотношении 1:1, играет положительную роль, которая проявляется в снижении сроков схватывания и водопотребности смеси. В целом ряде случаев необходимо иметь универсальный активизатор твердения. Опытным путем мы получили, что оптимальное соотношение компонентов в активизаторе составляет 50 % NaOH+50 % Na2SiO3 (1:1).
При дозировке 30 % молотого Новолипецкого шлака в 28 суточном возрасте на супесях прочность образцов составляет 48,0 МПа на комплексном активизаторе, а на NaOH-45,0 МПа.
При тех же дозировках, но на электротермофосфорном шлаке (ЭТФ), прочность на комплексном активизаторе составляет 40,0 МПа, а на NaOH-34,0 МПа.
Сопоставление полученных данных свидетельствует, что при введении комплекса NaOH+Na2SiO3 в соотношении 1:1 эффективность использования вяжущего состава заметно улучшается.
При укреплении грунтов ШЩВ происходит взаимодействие между грунтами, вяжущим и щелочью, входящей в состав вяжущего, в результате чего образуются химические соединения с высокой прочностью и малой растворимостью в воде.
Литература:
1. Васильев А. П., Яковлев Ю. М., Коганзон М. С., и др. Реконструкция автомобильных дорог. Технология и организация работ: Учебное пособие /МАДИ (ТУ). — М.; 1998.
2. Mouratidis A., Tsohos G, Investigation of red mud properties for use in road construction, 4th International Congress on Environmental Geotechnics, Rio de Janeiro, 2002, pp.493–496.
3. Романенко И. И. Процессы структурообразования шлакощелочных бетонов. Материалы «Строй-инфо» вып. № 27, Самара, 2003
4. Svirenko, L.P, Vergeles Ju. I. & Spirin O. Il. (2002) Environmental Effects of Ferrous Slags — Comparative Analyses and a Systems Approach in Slag Impact Assessment for Terrestrial and Aquatic Ecosystems. In: Approaches to Handling Environmental Problems in the Mining and Metallurgical Regions /Eds. W. L. Filho and I. Butorina. — Dordrecht, Kluwer Acad. Publ., 2003, pp.211–229. (NATO Science Series. IV. Earth and Environmental Sciences. — Vol. 20.
