Что такое шлак и для чего его применяют в строительстве

Шлак – это вторсырье, которое часто используется в строительстве в качестве наполнителя при приготовлении бетонных смесей. Промышленные отходы отличаются по химическому составу и физическим свойствам, при этом их стоимость значительно ниже других заполнителей. Это делает шлак очень популярным материалом при дорожном строительстве. Кроме этого из вторсырья изготавливают минеральную вату, шлакоблоки, пемзу, литье и многое другое. Благодаря использованию вторичного сырья обеспечивается безотходная технология производства стройматериала и значительно снижается уровень загрязнения окружающей среды.

Что такое шлак

Шлак – неметаллический искусственный силикат, который образуется на поверхностях различных металлов при:

• плавке сырья;
• обработке промежуточных продуктов;
• рафинировании жидких сплавов.

Также, в процессе производства, шлаки строительные образуются при восстановлении руды, в ходе извлечения из сырья флюсов.

Если говорить о химическом составе отходов металлургии, то этот материал бывает нескольких видов:

• Основным (CaO, MgO и FeO). В этом случае в материале содержится до 50% оксида кальция и порядка 10% глинозема.
• Кислотным (SiO2 и TiO2) с содержанием оксида кальция не более 42% и глинозема до 15%.
• Нейтральным (Al2O3 и ZnO) в котором присутствует порядка 45% оксида кальция.

Помимо этого, в отходах содержатся частицы кремния, алюминия, магния, марганца, серы и прочих компонентов. В зависимости от их объема шлак получает разные свойства.

Как используется цемент ГГБС

Цемент GGBS может быть добавлен в бетон на бетонном заводе производителя вместе с портландцементом, заполнителями и водой. Нормальное соотношение заполнителей и воды к вяжущему материалу в смеси остается неизменным. GGBS используется как прямая замена портландцементу в соотношении один к одному по весу. Уровни замены GGBS варьируются от 30% до 85%. Обычно в большинстве случаев используется от 40 до 50%.

Использование GGBS в дополнение к портландцементу в бетоне в Европе описано в стандарте для бетона EN 206: 2013. Этот стандарт устанавливает две категории добавок к бетону наряду с обычным портландцементом: почти инертные добавки (Тип I) и пуццолановые или скрытые гидравлические добавки (Тип II). Цемент GGBS попадает в последнюю категорию. Поскольку цемент GGBS немного дешевле, чем портландцемент, бетон, изготовленный из цемента GGBS, будет иметь такую ​​же цену, как и бетон, изготовленный из обычного портландцемента.

Используется частично согласно соотношению компонентов смеси.

Сфера применения и свойства шлака

Говоря о том, что такое шлак, стоит сказать о сфере применения этого материала. Чаще всего в строительстве используется граншлак разного диаметра:

• Более крупные гранулы используются при изготовлении шлакоблоков, отличающихся износоустойчивостью, меньшим весом и повышенными показателями тепло- и влагоизоляции. Также крупный граншлак применяют при возведении фундамента (в качестве подложки), укреплении насыпей, обработке краев водоемов.
• Из шлака более мелкой фракции можно сделать добавку для бетона или асфальта.
• Пыль и самые мелкофракционные частицы применяют в качестве добавок при производстве тротуарной плитки и минваты.
• Крошка добавляется в строительные смеси для повышения прочностных характеристик составов. Также крошку применяют для заполнения пустот в стенах.

По цвету, вторичное сырье может быть самым разным, начиная от насыщенного черного, заканчивая белым цветом. Нередко встречаются материалы перламутрового или сиреневого оттенка.

Плотность шлака колеблется в зависимости от компонентов, входящих в его состав.

Соответственно, если измерять этот показатель в «кубах», то эти значения будут колебаться от 800 до 3 200 кг на метр кубический.

Удельный вес сырья (то есть масса его вещества) составляет от 2,5 до 3,6 г/см3. Приблизительно такими же показателями отличаются природные породы камней. Однако стоит учитывать, что удельный вес шлака может отличаться в зависимости от вида сырья:

• У шлакобетона этот показатель составит порядка 2-2,4 т/м3.
• Удельный вес кускового шлака колеблется от 2,1 до 2,8 т/м3.
• Если используется вторсырье в виде щебенки, то вес материала будет самым наименьшим от 1,05 до 1,6 т/м3.

Кроме этого, свойства вторичного сырья определяются его типом. Сегодня в металлургии выделяют четыре основных вида шлака: черный, цветной, топливный и химический.

Основные производители утеплителя

Один из производителей шлаковой продукции является «Торговый дом УСК». Эта компания также и реализует утеплитель, выполняет доставку.
Алексинский керамзитовый завод занимается производством и продажей шлака, специализируется большей частью по продаже керамзита. Зачастую реализацией шлака занимаются угольные и металлургические компании, т. к. шлак является отходом производственных процессов и участием этих продуктов.

Таким образом, утепление шлаком имеет много преимуществ. Это недорогой вид утепления, доступный для осуществления своими руками. Материал представлен на рынке, покупка и доставка шлакового утеплителя налажена во многих регионах страны.

Обладая высокими показателями теплопроводности, утепление шлаковыми наполнителями сокращает расходы на строительство за счёт уменьшения основного материала при возведении стен. Этот доступный способ утепления помещений зарекомендовал себя на протяжении многих лет.

Шлаки цветной металлургии

Вторичное сырье этой категории пользуется меньшей популярностью ввиду дороговизны и трудоемкости его получения. В отличие от шлаков черной металлургии, цветное сырье обладает большим удельным весом и повышенным содержанием закиси железа, объем которого может доходить до 40%. Кроме этого, в состав таких материалов входят ценные и редкие металлы.

Иногда в строительной сфере применяют отходы цветной металлургии, которые образуются при выплавке никеля и меди. Медеплавное вторсырье отличается черным цветом и не распадается. При этом его плотность составляет от 3 300 до 3 800 кг/м3, а водопоглощение колеблется в пределах 0,1-0,6%.

Никелевое сырье обладает идентичными с медеплавными отходами показателями и свойствами.

Из шлаков такого типа редко изготавливаются строительные материалы, иногда их используют при производстве литых изделий или минваты. Намного чаще на производственную линию попадают доменные шлаки.

Разновидности шлакового продукта

Прежде чем классифицировать отходы металлургического производства, необходимо уточнить важную деталь. В металлургии образуется два типа побочных продуктов, это непосредственно шлаки и золошлаковые отходы. Последний вид вторичного ресурса представляет собой смесь шлака и золы, формирующуюся при сжигании угля и торфа. О ценности этой разновидности отходов поговорим позже, рассмотрев вначале различные типы самого шлака. Классификация шлаковых отходы достаточно глубоко структурировано, хотя основных групп существует только две. Это шлаки черной и цветной металлургии.

Шлаки черной металлургии (доменные)

Сырье этого типа бывает 3 типов:

• Шлак доменный гранулированный, который получают при охлаждении чугуна во время его выплавки. Как правило, полученный граншлак используют в качестве заменителя более дорогостоящих минеральных добавок.
• Доменный шлак не гранулированного типа. Его добывают в процессе воздушного охлаждения отходов металлургии, их дробления и последующего грохочения. Полученный материал чаще всего применяется в качестве наполнителя для асфальтобетона при строительстве дорожных полотен. Кроме этого, не гранулированное сырье нашло применение в сельскохозяйственной области, где отходы используют для раскисления земли.
• Шлаковая пемза отличается тем, что она не обладает вяжущими свойствами. Поэтому это сырье чаще используют в качестве утеплителя, звукоизоляционного материала и при производстве шлакоблоков и прочих изделий из пористых и легких бетонов.

Если говорить о свойствах шлака доменного, то он отличается высоким сопротивлением к измельчению, реакционной способностью и стабильностью. По гидравлическим свойствам гранулированный шлак бывает трех сортов:

• 1 сорт. В таком материале допускается содержание оксида алюминия не менее 8%, магния не больше 15%, титана не более 4% и марганца не больше 2%.
• 2 сорт. Оксид алюминия – 7,5%, магния – 15%, титана – 4%, марганца – 3%.
• 3 сорт. Оксид алюминия – не более 7,2%, магния – 15%, титана – 4%, марганца – 4%.

Примечания

1. Snellings, R .; Mertens G .; Элсен Дж. (2012). «Дополнительные вяжущие материалы». Обзоры по минералогии и геохимии
   .
   74
   : 211–278. Bibcode:2012RvMG … 74..211S. Дои:10.2138 / RMG.2012.74.6.
2. Департамент гражданского строительства, BITS, Пилани — кампус в Хайдарабаде. «ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ БЕТОН С GGBS И ROBO SAND» (PDF). Получено 2011-03-12.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
3. ^ абc
   Аскарян, Махья; Фахретаха Аваль, Сиаваш; Джошагани, Алиреза (22 января 2022 г.). «Комплексное экспериментальное исследование характеристик порошка пемзы в самоуплотняющемся бетоне (SCC)».
   Журнал устойчивых материалов на основе цемента
   .
   7
   (6): 340–356. Дои:10.1080/21650373.2018.1511486.

Топливные шлаки

Каменноугольные и угольные шлаки, которые также часто называют золошлаками, сегодня широко применяются в промышленном строительстве. Такое сырье отличается от доменного более низким содержанием CaO и повышенным содержанием FeO. При этом угольный шлак отличается повышенной щелочностью.

Золошлак – это шлак гранулированный, который отличается черной окраской. Такой цвет образуется из-за двухвалентного железа, которое содержится в составе сырья. Встречается шлак коричневого, белого, оливкового и зеленого цвета (в зависимости от объема окисла). Для получения песка шлакового сырье измельчается, в этом случае его цвет будет серым.

Золошлаки получают в процессе сжигания различного топлива, в зависимости от типа которого можно определить, сколько вторсырья в нем содержится:

• в буром угле содержание шлака составляет до 15%;
• в каменном – от 3 до 40%;
• в антраците – до 30%
• в горючих сланцах – от 50 до 80%;
• в дровах – порядка 0,5-1,5%;
• в мазуте – не более 0,2%.

Однако стоит учитывать, вреден ли угольный шлак. Дело в том, что в этом материале содержатся радиоактивные вещества, поэтому использовать его в качестве наполнителя для бетонных стен и при организации стяжки для жилых объектов не рекомендуется.

Производство

Доменный щебень, который также называют шлаковым щебнем, получают путем дробления отвального балластного материала, образующегося в ходе технологического процесса на предприятиях горной промышленности. Существует также литой щебень из балластного шлака, который получают путем переработки огненного жидкого расплава. Благодаря изготовлению щебня расширяется сфера применения побочной продукции горнодобывающих производств.

Для изготовления доменного щебня применяется отвальный шлак. Производят щебень из доменного шлака так:

1. В процессе выплавки металла в доменных печах образуется балластный продукт, который в горячем состоянии заливается в специальные емкости и транспортируется в место для отвалов.
2. Шлак затвердевает на открытом воздухе. Для ускорения процесса охлаждения шлака, его поливают технической водой. При резком охлаждении балластный материал трескается и распадается на глыбы различной фракции.
3. Глыбы застившего отвального шлака дробят в специальных дробильных агрегатах, в результате чего получается измельчённый продукт со специфическими свойствами.
4. Далее материал транспортируют на последующее дробление. Сортировка щебня по фракциям осуществляется на виброситах с различным диаметром отверстий.

Химические шлаки (электротермофосфорные)

Граншлаки – отходы производства фосфора, который изготавливается электротермическим методом. В таком вторсырье содержится до 98% стекла. Основу материала составляют CaO и Si02. Помимо этого в химических отходах содержатся частицы макулатуры, резиновой крошки, тряпья, полимерных материалов, попутных нефтепродуктов и многого другого. В связи с этим подобные шлаки довольно редко используются в строительстве.

Если говорить о самом распространенном типе шлаков, то это доменное вторсырье. Однако, несмотря на многочисленные преимущества, этот материал обладает и плюсами и минусами.

Преимущества и недостатки шлаков

Если говорить о плюсах и минусах вторсырья, то проще всего рассмотреть их на примере шлакоблоков. Они обладают следующими преимуществами:

• повышенной огнестойкостью;
• долгим сроком эксплуатации (порядка 50 лет);
• разнообразием характеристик и свойств в зависимости от состава материала;
• низкой стоимостью (если сравнивать с деревом или кирпичом);
• простотой обработки и укладки.

Продолжая рассматривать плюсы и минусы вторсырья, справедливо будет упомянуть и его недостатки:

• гигроскопичность (материал не стоит применять в областях, где постоянно происходят паводки);
• большую прочность, из-за которой очень сложно осуществлять прокладку инженерных коммуникаций;
• высокую теплопроводность;
• повышенное содержание кислоты и серы (на полное выветривание токсинов уходит порядка 1 года).

Поэтому перед тем, как сделать выбор в пользу этого материала стоит учесть все плюсы и минусы этого сырья. Если же вас интересует наиболее дешевый наполнитель для строительства промышленного или нежилого помещения, то можно значительно сэкономить и приобрести вторсырье.

Koranel® от Metallo

kuleuven.sim2.be

Также шлаки можно было бы назвать «рудным побочным продуктом». Почему? Потому что разница с рудами, полученными путем первичной экстракции, небольшая. Ключевым примером в этом контексте является бельгийская компания Metallo, которая эксплуатирует плазменную установку для восстановления цинка в шлаках и одновременного снижения содержания свинца в них с 1% до менее 300 частей на миллион (что соответствует жесткому законодательству).

С 2022 года Metallo производит такой шлак под торговой маркой Koranel®. Во время 14-й Глобальной конференции по шлакам в Аахене Koranel® был удостоен звания «Шлаковый продукт года». В настоящее время такой шлак применяется в основном для пескоструйной обработки, но исследования показывают, что их можно использовать и в других областях, в частности для цементных вяжущих и инженерных продуктов. Были проведены обширные испытания промышленных масштабов, которые открывают путь к широкому использованию шлаков цветной металлургии в строительной промышленности.