Что такое шлак: виды, характеристики, применение в строительстве

Шлак – это вторичное сырье, отходы металлургической промышленности или зола от сжигания ископаемых горючих: углей всех видов, горючего сланца, жидкого топлива. В металлургии – то, что остаётся после выплавки металла из руды. Из шлаков чёрной металлургии получают заполнители для шлакобетонов, шлаковую пемзу, минеральные ваты. Отходы цветной металлургии делятся на передельные и отвальные шлаки.

Гранулированный, или граншлак, получается путём быстрого охлаждения водой горячего шлака в доменном или конвертерном процессе. Имея отличные вяжущие свойства, используется для производства цемента как активная минеральная добавка к нему.

Шлак нельзя рассматривать как простой наполнитель для приготовления бетонных растворов. Он, кроме этой своей функции, несёт ещё одну, которая с течением времени становится всё более важной – экологическую. Если учесть, сколько вредных примесей, от кислот и щелочей до канцерогенных соединений, есть в его составе, связывание его цементными смесями решает задачу его безопасной утилизации.

А при выплавке металла защищающая его шлаковая составляющая предохраняет расплав от воздействия продуктов горения.

Применение шлака в строительстве

В строительстве в основном применяется в качестве наполнителей бетонных смесей. Шлак – отходы металлургического производства, как более безопасные по сравнению отходов сгорания угля. Ведь в ископаемом угле (буром, каменном чёрном и антраците) обязательно присутствуют радионуклиды. Их доля в исходном материале невысока, но при сгорании их концентрация резко увеличивается, и в буром и каменном угле доходит до неприемлемых в санитарном отношении величин. Так что ни в бетон стен, ни при возведении бетонированных подвалов, ни для заливки стяжек такой шлак не годится, радиоактивный фон в таких помещениях может оказаться превышающим ПДН.

Гранулированный шлак, идущий в производство цементов с исключительными вяжущими свойствами, позволяет получать очень прочные на разрыв и раскол плиты перекрытий в многоэтажном строительстве. А граншлак с более крупными фракциями идёт в бетон в качестве заполнителя для получения прочных и лёгких строительных блоков, отличающихся от обычного кирпича износоустойчивостью, небольшим удельным весом, хорошими влаго- и теплоизоляционными свойствами.

Мелкофракционный граншлак (в т. ч. и пылевой) используется как сырьё для получения шлаковаты, а также для изготовления тротуарной плитки, бордюров и брусчатки. Его крошка добавляется в бетонные смеси для их упрочнения, а также для заполнения пустот при строительстве зданий с насыпными стенами.

Присутствие в таких шлаках кальциевых силикатов позволяет применять тонкий помол для смеси с цементом, что даёт такой же эффект при создании конструкций, как и у портландцемента. Применение таких присадок позволяет:

• создавать тяжёлые и особо прочные бетоны классов прочности В15-В30.

• Производить сухие строительные смеси

• Изготавливать плиты перекрытий, ригелей, колонн, бетонных панелей, балок и других предварительно напряжённых строительных конструкций.

• Строить погреба, фундаменты любой степени сложности, которые делаются методом бетонной заливки, осуществлять отливку плит перекрытия и заливку в скользящую опалубку при возведении стен.

Доменный шлак, щебень из него

Являясь отходом доменного производства, такой щебень часто на порядок дешевле крошки из камня, которую нужно добыть, раздробить с помощью сложных и дорогих механизмов, доставить до места приготовления бетонных смесей.

Щебень из доменного шлака в своей кристаллической структуре представлен более чем 20 минералами, среди которых воластонит (однокальциевый силикат), двух кальциевый силикат, мелилит. Наличие кальциевых силикатов и делает продукты переработки этого шлака желанной присадкой для тяжёлых сверхпрочных бетонов.

Преимущества и недостатки

При этом плотность щебня, получаемого из доменного шлака по ГОСТ 3344, выше гранитного, но выше и поглощение воды. Правда, ниже и морозостойкость. Что ограничивает его применение как основного заполнителя в климатических зонах с суровыми погодными условиями.

Предел прочности на сжатие может варьироваться от 62 МПа у пористого до 140 МПа у медеплавильного. Для сравнения, у гранита этот предел составляет 120 МПа. Но! Самый дешёвый («дешевле только даром») пористый материал очень ограничен в применении, а вот его медеплавильный аналог при прочности больше гранитного, по стоимости почти догоняет его.

Благодаря своей способности поглощать воду доменный шлак находит широкое применение в дорожном строительстве, в котором такая его особенность, как способность быстро высыхать и уплотняться под воздействием содержащихся в нём связывающих веществ, а также способность легко поддаваться трамбовке делает его применение более предпочтительным, чем щебня из гранита.

При транспортировке гранитный щебень перетирается в мелкую пылевую фракцию, негодную к применению, её приходится вымывать или как-то отсеивать. Шлаковая же пыль служит дополнительным связывающим при использовании, повышая сцепляемость и вязкость конечного продукта.

Разновидности шлака

Металлургические

Подразделяются на шлаки цветной и чёрной металлургии. К шлакам чёрной металлургии относятся:

• Доменный шлак, получаемый путём выплавки чугуна из железных руд. Его свойства зависят от режимов плавки, применяемого для получения расплавов топлива и флюсов-присадок.
• Сталеплавильные. Их получают в мартеновском, конвертерном или электросталеплавильном производстве.
• Ферросплавные, Виды ферросплавных шлаков подразделяются на подвиды с преобладанием того элемента, который добавлялся в расплав стали для получения ферросплава, а это может быть кобальт, хром, марганец молибден, кремний и т. д.

Шлаки цветной металлургии: к ним относятся отходы медеплавильного, никелевого, свинцового и цинкового производства.

Фосфорные

Получаются как отходы производства фосфорных удобрений. Используются в производстве пемзы или минеральной ваты. В качестве присадки к цементам добавляют, только если бетонные изделия из такого цемента проходят стадию высокотемпературного пропаривания.

Зольные

Представляют собой остаток от сжигания твёрдого угля и горючих сланцев. В жилищном строительстве практического применения не находят из-за высокого содержания в них радионуклидов, но могут применяться при производстве тротуарной плитки или если применяются как наполнители для асфальтовых смесей, где возможное образования пыли будет связываться смолистыми фракциями. Имеет значение ещё и метод охлаждения этих шлаков сразу после их образования: если охлаждение происходило водой, то есть быстро, образуется стекловидная структура, которая более стойкая, чем микрозернистая, получаемая при медленном, естественном остывании.

Характеристики доменного шлака

Могут отличаться у разных производителей, что связано с особенностями технологических циклов выплавки чёрных металлов.

Разными будут составы как кальцитов, так и силикатов, железа и алюминия в конечном продукте. Условные обозначения шлака, который отправляется как продукт для переработки в строительную индустрию, в зависимости от места производства, выглядят так:

• Н – Новокузнецкий
• Ч – Чусовской,
• Чл – Челябинский,
• Ж – Ждановский,
• Нт – Новотульский,
• Л – Липецкий,
• Кр – Криворожский,
• Д – Днепродзержинский металлургические комбинаты.

Приведённый химический состав может зависеть от поступившей на плавку руды, кокса и марки выплавляемого чугуна. От этих же показателей будет зависеть удельный вес шлака на выходе. Вес также зависит от способа его охлаждения – стекловидный, получаемый охлаждением водой, будет тяжелее и прочнее.

Плотность шлака, в зависимости от состава: