Шлакопортландцемент

 

Шлакопортландцемент (ШПЦ) содержит в качестве активной минеральной добавки гранулированный шлак процесса сжигания твердого топлива в барботируемом расплаве при соотношении компонентов, мас.%: граншлак процесса сжигания твердого топлива в барботируемом расплаве 40 - 62; гипс 2 - 3; портландцементный клинкер - остальное. Улучшение качества достигается за счет улучшения качества гранулированного топливного шлака, получаемого в процессе сжигания твердого топлива в барботируемом расплаве при температуре 1450^oС с извлечением железа в металлизированную фазу, практически полным сгоранием углерода топлива и полным усвоением свободных оксидов кальция и магния с образованием трехкальциевого силиката. Использование изобретения позволит повысить качество ШПЦ и упростить технологию получения топливного шлака требуемого состава. 1 табл.

Изобретение относится к области химии и теплоэнергетики и может быть использовано при производстве шлакопортландцементов из топливных шлаков тепловых электростанций.

Шлакопортландцементы, как разновидность портландцементов с искусственными минеральными добавками, являются гидравлически вяжущими веществами и находят все большее применение в строительной индустрии.

Широко известны шлакопортландцементы, в которых в качестве искусственных минеральных добавок к портландцементному клинкеру используют гранулированные доменные и электротермофосфорные шлаки [1-3] а также шлаки цветной металлургии [4] Однако их использование в производстве шлакопортландцементов возможно лишь в районах с развитой металлургической промышленностью. В то же время есть районы с большим выходом топливных шлаков (тепловые электростанции, работающие на твердом топливе), использование которых в качестве искусственных минеральных добавок к портландцементам и шлакопортландцементам имеет большое народно-хозяйственное значение. Использование топливных шлаков в производстве шлакопортландцементов позволяет значительно увеличить объем строительных работ, снизить их стоимость, уменьшить загрязнение воздушного и водного бассейнов, сократить площади земель под отвалы.

Известен шлакопортландцемент, взятый за прототип, включающий продукты помола портландцементного клинкера, гранулированного топливного шлака и гипса, в котором в качестве топливного шлака использован котельный шлак ТЭС бассейна КАТЭК [5] Недостатки прототипа заниженные качество и марочность шлакопортландцемента и сложность технологии получения топливного шлака требуемого состава. Это объясняется следующим. Известно, что качество цемента, в том числе и шлакопортландцемента, зависит от его химического и минералогического состава [2, 3] так как в процессе твердения в структурообразовании принимают участие как клинкерная, так и шлаковая составляющие. Как правило, химический состав топливных шлаков колеблется в широких пределах и зависит от вида и условий сжигания топлива. Например, химический состав топливных шлаков ТЭС КАТЭКа колеблется в следующих пределах, мас. SiO₂ 23-46; Al₂O₃ 5-11; Fe₂O₃ 7-20; CaO 21-40; MgO 3-8; Na₂O ≈ 2,0 [5] Поэтому для получения шлакопортландцемента требуемого стабильного состава необходимо осуществлять соответствующую дополнительную корректировку шлака путем введения в топливо различных добавок, что усложняет процесс сжигания топлива и ухудшает КПД котлов. Высокое содержание оксида кальция в топливном шлаке, а также гидравлическая их активность, обуславливающая вяжущие свойства, определяют преимущественное применение их в производстве шлакопортландцементов. Но ввиду того, что температура жидких шлаков из котлов ТЭС не превышает 1280^оС, насыщение кремнезема окисью кальция происходит не полностью и образуется значительное количество свободных оксидов кальция (СаО>1,0-1,5 мас.) и магния (MgO>4,5-5,0 мас.) в виде мелких изотропных зерен, что ухудшает качество цемента и может привести к образованию трещин в бетонах. Повышенное содержание железа в шлаке (более 4 мас.) значительно снижает прочностные характеристики шлакопортландцемента, а несгоревший углерод топлива, содержащийся в шлаках, окисляется на воздухе, впитывает влагу и, изменяясь в объеме, разрушает бетон.

Цель изобретения улучшение качественных показателей шлакопортландцемента и упрощение технологии получения топливных шлаков требуемого состава.

Цель достигается тем, что в шлакопортландцементе, включающем продукты помола портландцементного клинкера, гранулированного топливного шлака и гипса, в качестве топливного шлака используют гранулированный шлак процесса сжигания твердого топлива в барботируемом расплаве при следующем соотношении компонентов, мас. портландцементный клинкер 35-58; гранулированный шлак процесса сжигания твердого топлива в барботируемом расплаве 40-62; гипс 2-3. Шлак имеет следующий химический состав, мас. SiO₂ 40-48; Al₂O₃ 7-9; Fe₂O₃ 1-4; CaO 30-40; MgO 5-7; K₂O+Na₂O 1,3-2; TiO₂ 0,5-1,0. При содержании портландцементного клинкера менее 35 мас. шлакопортландцемент получается низкого качества и не соответствует требованиям ГОСТа. Добавка же клинкера более 58 мас. неэкономична и приводит к резкому удорожанию стоимости шлакопортландцемента.

Улучшение качественных показателей шлакопортландцемента за счет улучшения качества топливного шлака объясняется тем, что в процессе сжигания твердого топлива в барботируемом расплаве при температуре порядка 1450^оС происходит практически полное сгорание углерода топлива за счет интенсивного перемешивания окислителя с расплавом. Подшихтовка в расплав различных добавок не влияет на степень сгорания топлива и не отражается на работе котлов. В процессе сжигания топлива в барботируемом расплаве происходит восстановление и перенос в металлизированную фазу расплава (штейна) железа и других металлов. Наличие высокой температуры и интенсивное перемешивание расплава способствует полному связыванию свободного оксида кальция с образованием и кристаллизацией трехкальциевого силиката. Доведение химического состава шлакового расплава до требуемого значения подшихтовкой в расплав необходимых добавок упрощает технологию получения шлакопортландцемента без ухудшения основного технологического процесса сжигания твердого топлива в барботируемом расплаве.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав шлакопортландцемента отличается от известного использованием в качестве топливного шлака гранулированного шлака процесса сжигания твердого топлива в барботируемом расплаве в соотношении, мас. портландцементный клинкер 35-58; гранулированный шлак процесса сжигания твердого топлива в барботируемом расплаве 40-62; гипс 2-3. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна", а отличительные признаки критерию "существенные отличия".

Для экспериментальной проверки заявляемого технического решения было приготовлено семь проб смесей шлакопортландцемента на основе портландцементного клинкера Красноярского цементного завода. В качестве топливного гранулированного шлака был использован гранулированный шлак процесса сжигания угля Ирша-Бородинского месторождения КАТЭКа в барботируемом расплаве, полученный в опытном агрегате с площадью в области фурм 2,2 м². Усредненный химический состав шлака, мас. SiO₂40,3; Al₂O₃ 7,2; Fe₂O₃ 1,6; CaO 43,6; MgO 5,4; Na₂O+K₂O 1,3; TiO₂ 0,6. Для сравнительной оценки приведена одна проба из смеси этого же портландцементного клинкера и гранулированного шлака с Красноярской ГРЭС-2 (прототип) следующего химсостава, мас. SiO₂ 42,6; Al₂O₃ 6,2; Fe₂O₃ 14,85; CaO 29,2; MgO 4,5; C 1,0; Na₂O+K₂O 0,5. После помола и приготовления смесей шлакопортландцемента образцы были испытаны на прочность в соответствии с ГОСТ 310.1-76 ГОСТ 310.3-76 и ГОСТ 310.4-81. Результаты испытаний приведены в таблице.

Из таблицы следует, что все образцы соответствуют требованиям ГОСТ 10178-85, однако шлакопортландцемент предлагаемого состава на основе граншлака процесса сжигания твердого топлива в барботируемом расплаве по качественным показателям превышает шлакопортландцемент на основе топливного шлака Красноярской ГРЭС-2.

Использование изобретения позволяет повысить качество шлакопортландцемента, упростить технологию получения топливного шлака требуемого состава и широко использовать топливные шлаки ТЭС для нужд стройиндустрии.

Формула изобретения

ШЛАКОПОРТЛАНДЦЕМЕНТ, включающий портландцементный клинкер, гранулированный топливный шлак и гипс, отличающийся тем, что в качестве гранулированного топливного шлака он содержит шлак процесса сжигания твердого топлива в барботируемом расплаве состава, мас.%: Al₂O₃ - 7 - 9 Fe₂O₃ - 1 - 4 CaO - 30 - 40 MgO - 5 - 7 Na₂O+K₂O - 1,3 - 2,0 TiO₂ - 0,5 - 1,0 SiO₂ - Остальное
при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Указанный гранулированный шлак - 40 - 62
Гипс - 2 - 3
Портландцементный клинкер - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2