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.

Впервые использовать шлаки в дорожном строительстве начали американцы еще в 1908 году. Технология зарекомендовала себя хорошо, и её начали использовать другие страны.

Металлургические шлаки можно использовать при сооружении насыпей автомобильных дорог во время нового строительства. Также шлаки можно применять как щебневый материал в слоях основания дорожной одежды или в щебеночно-песчаных смесях, которые укладывают в слоях основания. Сейчас рассматривается вопрос использования шлаков в цементно-бетонных смесях для строительства дорог с цементно-бетонным покрытием.

Следует отметить, что шлаки в разных отвалах имеют неоднородную структуру и различные свойства, но это не является проблемой. У подрядных организаций и у нашего института есть современные лаборатории, которые могут оценить возможность применения этих шлаков.  Их применение с добавлением вяжущих материалов для сооружения верхних слоев дорог местного значения может быть очень перспективным.

Металлургические и фосфорные шлаки являются хорошим сырьем для производства строительных материалов. Распространение шлаков, хотя и неравномерное, по территории страны делает их применение еще более эффективным, так как снижается дальность возки материалов к объектам строительства. В наибольшей степени используют шлаки черной металлургии, особенно доменные. Более 50% доменных шлаков перерабатывают в гранулированный.


За рубежом используют сталеплавильные шлаки. В дорожном строительстве щебень из них целесообразнее использовать в асфальтобетонных покрытиях. Щебень сталеплавильных шлаков и асфальтобетон на нем имеют высокое сопротивление износу и обладают необходимыми фрикционными свойствами, обеспечивая покрытию требуемый коэффициент сцепления. Сталеплавильные шлаки с большим содержанием фосфора перерабатывают на удобрения. Ежегодный выход этих шлаков около 15 млн. т в год. Однако шлаки цветной металлургии являются ценным сырьем для получения целого комплекса металлов, которые в них остаются после извлечения основного продукта, что ограничивает их применение в строительстве. Они имеют некоторые отличия от шлаков черной металлургии. В шлаках цветной металлургии практически отсутствует окись марганца, значительно меньше окиси кальция и окиси магния. В то же время они содержат до 50% закиси железа, поэтому имеют высокую истинную плотность (2,8— 4,9 г/см3). По сравнению со шлаками черной металлургии шлаки цветной металлургии более тепло- и электропроводны. В дорожном строительстве из 1 млн. т используют около 0,7 млн. т в основном для устройства щебеночных оснований и приготовления асфальтобетонных смесей на основе щебня и песка из шлаков медно-никеле-вого производства. 

Шлаки фосфорного производства — менее распространенный материал по сравнению с металлургическими шлаками. При ежегодном выходе более 1,5 млн. м3 перерабатывают на строительные материалы около 0,6 млн. м3. Из этого количества для строительства автомобильных дорог используют не более 0,26 млн. м3.


Щебень и песок применяют в асфальто- и цементобетоне, в основаниях и дополнительных слоях дорожных одежд, в насыпях. Щебень получают дроблением и грохочением шлака, разработанного в отвалах по аналогии с переработкой естественных горных пород или путем медленного охлаждения слитого слоями жидкого шлака. Средняя плотность литого щебня выше, чем щебня из отвалов. Выпускают щебень фракций 5 — 120 мм.


Гранулированный шлак находит широкое применение как сырье для производства гидравлических вяжущих, песок для бетонов и асфальтобетонов, в качестве теплоизоляционного материала. Гранулированные шлаки из активных доменных шлаков могут быть использованы как самостоятельное вяжущее при устройстве оснований и покрытий из грунтов и каменных материалов, обработанных вяжущими. Гранулированный шлак получают быстрым охлаждением жидких шлаков. Влажность его может достигать 10%, насыпная плотность зависит от химического состава и способа производства. В большинстве случаев она меньше 1200 кг/м3.


Только в бетонах применение шлакового щебня и песка несколько ограничено. Особенно это касается дорожных бетонов.
Однако опыт показывает, что на шлаках можно получать бетоны с пределом прочности при изгибе 5,2—6,4 МПа и с пределом прочности при сжатии 30—45 МПа. Для приготовления бетонов использовали шлаки медеплавильного производства с содержанием 13—39% закиси железа, 31—49% окиси кремния, 8—16% окиси кальция и 10—11% окиси алюминия. Щебень, предназначенный для применения в бетоне, имел среднюю плотность 2,90 г/см3, пористость около 3—8%, водопоглощение до 1% и износ в полочном барабане около 30%. Для приготовления цементобетона использовали шлаковый щебень с размером зерен 20—40 и 5—20 мм. Расход цемента марки 500 составлял 300— 330 кг. Водоцементное отношение 0,38—0,5.


Влияние гранулированного шлака на свойства бетона проверяли на смесях, содержание гранулированного шлака в которых менялось от 0 до 100% через каждые 20%. Для сравнения были приготовлены образцы на гранитном щебне. Результаты исследования показали, что предел прочности бетона при сжатии с повышением содержания гранулированного шлака от 0 до 20% возрастает на 21—29% и при дальнейшем его увеличении практически не изменяется. 

Прочность бетона на кварцевом песке и щебне из шлаков составляет 70% прочности бетона того же состава на гранитном щебне. Различие в прочности можно объяснить большим содержанием стекла в шлаке и незначительной шероховатостью поверхности щебня из него. Предел прочности при сжатии составлял 39,6—28 МПа.
 

Предел прочности при растяжении (изгибе) практически не зависит от состава бетона и равен 6,3—5,1 МПа. Максимальное значение относится к бетону на гранитном щебне и гранулированном песке, минимальное — к бетону на щебне из шлака и 40% гранулированного шлака. Для практического использования рекомендованы бетоны с 20—60% гранулированного шлака от общего количества песка.
После испытания на морозостойкость (100 циклов) прочность относительно возраста 28 сут снизилась только у смесей с содержанием гранулированного шлака 100 и 80%.
 

Таким образом, опыт применения отвальных шлаков медеплавильного производства в бетоне показывает возможность его применения.
 

Бетоны на литом никелевом шлаке имеют более высокие механические свойства, чем бетоны на гранито-гнейсе независимо от пластичности смеси и расхода цемента, который изменялся от 200 до 400 кг на 1 м3 бетона.
 

Предел прочности при сжатии в соответствии с расходом цемента изменялся для бетона в возрасте 28 сут (смесь с удобоуклады-ваемостью 60 с от 24,2 до 42,7 МПа). 

Никелевые гранулированные шлаки, как и гранулированные медеплавильного производства, являются полноценным компонентом бетонов. Бетоны на гранулированном шлаке обладают достаточной удобоукладываемостью. Иногда бетоны на гранулированных шлаках имеют более высокую прочность, чем бетоны с применением местного строительного песка. 

Вместе с тем отмечается, что часто бетоны на гранулированных шлаках вследствие их большой крупности и угловатости зерен обладают худшими пластическими свойствами, чем на речном песке. При этом и прочность на 15—25% ниже, что приводит к необходимости применять гранулированный шлак совместно с речным песком в соотношении 1:1.
 

Отходы цинкового производства для бетона непригодны, так как образцы в возрасте 28 сут легко разрушались руками. Объясняется это весьма медленным схватыванием цемента, на которое оказывает влияние присутствие цинка, точнее углекислого цинка, который значительно удлиняет сроки схватывания гидравлических вяжущих. При содержании углекислого цинка около 0,3% от массы цемента наблюдается ощутимое замедление твердения бетона. Все исследованные отходы цинкового производства обладают высокой реакционной способностью.
 

Пемзу получают вспучиванием шлаков при быстром последующем охлаждении. Насыпная плотность пемзы менее 1000 кг/м2. Пемза может быть в виде щебня или гравия. Гравиеподобная пемза в бетонах более экономична, чем дробленая. В дорожном строительстве пемза может быть использована в основаниях дорожных одежд при ее обработке вяжущими. Такие слои выполняют роль теплоизоляционных. Используют пемзу и для приготовления легких бетонов.
 

Литье — брусчатка, плиты для полов и тротуаров, бордюрные камни, трубы получают из шлакового расплава по специальной технологии. Прочность литья очень высокая: предел прочности при сжатии 200—400 МПа, предел прочности при изгибе 40—50 МПа. Для сравнения следует указать прочность при изгибе бетона для автомобильных дорог, которая не превышает 5 МПа. Из шлаков получают литые тюбинги для крепления горных выработок. Работоспособность их выше бетонных тюбингов, особенно в среде с агрессивными водами. Трубы из шлакового литья используют для транспортирования абразивных сыпучих материалов.
 

Литье из металлургических шлаков является разновидностью каменного материала. Изделия из каменного и шлакового литья находят широкое применение в химической, угольной, горнорудной, металлургической, энергетической и других отраслях промышленности, а также в строительстве, на транспорте и в сельском хозяйстве. Литые изделия эффективно заменяют металл при работе в абразивных и агрессивных условиях, бетон и железобетон — в промышленном, гидротехническом, дорожном строительстве.
 

При выборе сырья для получения литых изделий с заданными свойствами необходимо учитывать не только вещественный состав сырья, но и условия кристаллизации. Сырье должно иметь невысокую температуру плавления, давать хорошо заполняющий формы расплав, пределы колебаний окислов не должны превышать 3% п0 массе. Для получения литых изделий пригодны шлаки с пониженным содержанием окиси кальция и серы. Окиси кальция должно быть менее 20%. В большинстве случаев ее количество ограничивают 10—12%.
 

Литые изделия из никелевых шлаков имеют предел прочности при изгибе 74 МПа, водопоглощение 0,13%.
Из медеплавильных шлаков были получены изделия с пределом прочности при сжатии более 100 МПа, пределом прочности при растяжении 5—10 МПа.
 

Шлаки свинцово-цинкового производства являются также хорошим сырьем для производства литых изделий. При добавлении к шлакам, содержащим 45% кремнезема, 10% окиси алюминия, 9% окиси магния, 16% окиси кальция, 20% кварцевого песка получен шлакоситалл с прочностью при сжатии 490— 510 МПа и прочностью на изгиб 150 МПа. 

Сочетание высокой прочности, износостойкости и химической стойкости во всех агрессивных средах позволяет использовать эти материалы в различных отраслях народного хозяйства. Литые изделия из шлаков свинцового производства обладают следующими механическими свойствами: предел прочности при сжатии 170—230 МПа, микротвердость 6000—7000 МПа.
 

Основным видом продукции является гранулированный шлак и щебень. Шлаковое вяжущее для производства бетонов, обработки каменных материалов и грунтов готовят из гранулированных и отвальных шлаков. Практически все шлаки пригодны для производства вяжущих веществ. Однако для получения максимального эффекта необходимо подбирать оптимальный состав вяжущего и оптимальные условия его твердения. Это можно сделать с помощью классификации шлаков как сырья для получения вяжущих. В классификации шлаки расположены по убыванию их активности: от шлаков, требующих малых добавок активизаторов твердения и невысоких температур (20—100 °С), к малоактивным, требующим повышенных дозировок активизаторов твердения и обработки при высоких давлении и температуре (150—200 °С).
 

Очень часто в качестве активизаторов выступает цемент, известь. Для ускорения схватывания добавляют гипс. Наиболее широко используют для приготовления гидравлических вяжущих шлаки черной металлургии. Шлаки цветной металлургии можно использовать для приготовления вяжущего автоклавкого твердения. Молотый шлак 70—80%, известь или цементный клинкер 15—25%, гипс 5% дают вяжущее, на основе которого получают бетон марок 100—400. Из шлаков можно получить известково-шлаковый цемент активностью до 15,0 МПа.
В то же время производители строительных материалов добывают из земли огромные объемы гранита. Продуктами сгорания топлива, выбросами смазочных веществ вредят окружающей среде. Безвозвратно разрушают почву, роют глубокие карьеры.

Таким образом, использование шлаков может уменьшить негативное влияние на природу и помочь сокращению затрат на производство строительных материалов.
 

В статье используются материалы из следующих источников:

https://mcet.com.ua/ru/novye-tehnologii-i-materialy-kotorye-primenyayutsya-v-dorozhnom-stroitelstve-ukrainy/

https://gmk.center/opinion/ob-aktivizacii-primeneniya-shlakov-pri-stroitelstve-avtodorog/

https://mintrans.news/dorogi/uchenyy-rasskazal-o-riskakh-ispolzovaniya-shlakov-v-dorozhnom-stroitelstve

http://stroy-spravka.ru/article/oblast-primeneniya-shlakov

https://zamesbetona.ru/podgotovka/shlak-jeto.html

http://iz.com.ua/zaporoje/pochemu-v-dorozhnom-stroitelstve-vyigodnee-ispolzovat-metallurgicheskie-shlaki-a-ne-prirodnyiy-shheben