Вторичные продукты в производстве строительных материалов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Томский государственный архитектурно-строительный университет»

ВТОРИЧНЫЕ ПРОДУКТЫ 

В ПРОИЗВОДСТВЕ 

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Монография

Томск

Издательство ТГАСУ

2023

Авторы: В.В. Шеховцов, Н.К. Скрипникова, М.А. Семеновых, 

Н.О. Копаница, О.В. Демьяненко, А.А. Куликова, А.Б. Стешенко

УДК 691:620.18:658.567.1
ББК 38.393-1+38.300.8

В873

Вторичные продукты в производстве строительных 

материалов : монография / В.В. Шеховцов, Н.К. Скрипникова, 
М.А. Семеновых, Н.О. Копаница, О.В. Демьяненко, А.А. Куликова, 
А.Б. Стешенко. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. 
ун-та, 2023. – 152 с. – Текст : непосредственный.

ISBN 978-5-6050245-4-5

В монографии представлены результаты экспериментальных исследований по 

следующим направлениям: разделение металлургических отходов на порошковые концентраты 
для строительного производства; композиционные строительные материалы 
на основе цемента с использованием вторичных продуктов производства; поризованные 
бетоны на основе побочных продуктов промышленного производства.

Предназначена для студентов, магистрантов, аспирантов и специалистов, заня-

тых в области технологий стройиндустрии.

УДК 691:620.18:658.567.1
ББК 38.393-1+38.300.8

Работа выполнена при поддержке государственного задания 

Министерства науки и высшего образования РФ FEMN-2022-0001.

Рецензенты:
докт. техн. наук, профессор Научно-образовательного центра 
Н.М. Кижнера, В.И. Верещагин;
докт. техн. наук, профессор кафедры инженерных конструкций, 
строительных технологий и материалов Сибирского государственного 
индустриального университета, А.Ю. Столбоушкин.

ISBN 978-5-6050245-4-5
© Томский государственный

архитектурно-строительный
университет, 2023

© Шеховцов В.В., Скрипникова Н.К.,

Семеновых М.А., Копаница Н.О.,
Демьяненко О.В., Куликова А.А.,
Стешенко А.Б., 2023

В872

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ..................................................................................................... 5
1. Разделение металлургических отходов на порошковые 
концентраты для строительного производства
(В.В. Шеховцов, Н.К. Скрипникова, М.А. Семеновых) ............................ 6

1.1. Особенности и характеристики металлургических отходов ........... 6
1.2. Разработка экспериментального оборудования
для разделения металлургических отходов на порошковые 
концентраты.......................................................................................... 11

1.2.1. Магнитная сепарация железосодержащих 
компонентов из металлургических отходов................................ 12
1.2.2. Флотационный способ отделения углеродистой 
составляющей, входящей в состав металлургических 
отходов ............................................................................................19

1.3. Комплексные физико-химические исследования исходных 
металлургических отходов и выделенных концентратов на их 
основе..................................................................................................... 26

1.3.1. Исследование исходных материалов и выделенного 
железосодержащего компонента на их основе............................27
1.3.2. Исследование исходных материалов и выделенных 
углеродсодержащих концентратов на их основе ........................42

2. Композиционные строительные материалы на основе 
цемента с использованием вторичных продуктов 
производства (Н.О. Копаница, О.В. Демьяненко, А.А. Куликова)....... 51

2.1. Модифицированные строительные композиционные 
материалы с применением вторичных продуктов производства..... 51
2.2. Физико-химические характеристики сырьевых материалов.......... 57
2.3. Физико-химические процессы формирования структуры 
цементного камня с бинарными добавками....................................... 66

2.3.1. Обоснование компонентов комплексных добавок,
формирование модели исследований...........................................66
2.3.2. Влияние наномодифицирующих добавок на свойства 
цемента............................................................................................69
2.3.3. Влияние комплексных добавок на свойства цемента.......75

2.4. Исследования физико-механических свойств
модифицированных композиционных материалов на основе 
цемента .................................................................................................. 97

2.4.1. Исследование эксплуатационных характеристик
разработанных составов мелкозернистого бетона,
модифицированного комплексными добавками.........................98

3. Поризованные бетоны на основе побочных продуктов 
промышленного производства (А.Б. Стешенко) ............................. 105

3.1. Анализ использования побочных продуктов
промышленного производства .......................................................... 105
3.2. Технология получения вторичных продуктов переработки
металлургического комбината и ТЭЦ .............................................. 109
3.3. Характеристика сырьевых материалов и методики 
проведения исследований.................................................................. 118
3.4. Исследование влияния шлаковых песков
металлургического комбината и ТЭЦ на свойства 
пенобетонных смесей и пенобетонов ............................................... 126

3.4.1. Влияние пенообразователя на пенобетонную смесь.......129
3.4.2. Влияние шлаковых песков металлургического 
комбината и ТЭЦ на пенобетонную смесь ................................130
3.4.3. Влияние шлакового песка на физико-механические 
свойства пенобетона ....................................................................131

3.5. Расчет себестоимости разработанных составов
с применением шлаковых песков...................................................... 137

Заключение............................................................................................ 140
Библиографический список ............................................................... 142

ВВЕДЕНИЕ

Использование и переработка вторичных ресурсов – это процесс 

обращения с отходами и поиска способов их переработки и использования 
с целью экономии природных ресурсов и защиты окружающей 
среды. Этот процесс важен для решения проблем с утилизацией отходов, 
защиты природы от загрязнения и экономии материальных ресурсов.

Переработка вторичных ресурсов позволяет значительно сэконо-

мить материальные ресурсы, снизить уровень загрязнения окружающей 
среды, а также создать рабочие места в производственном секторе. 
Степень утилизации отходов в различных странах зависит от экономических 
и правовых условий, их экологического состояния, а также 
уровня развития технологий переработки отходов.

В монографии представлены результаты экспериментальных ис-

следований, полученные авторами, по следующим направлениям: разделение 
металлургических отходов на порошковые концентраты для 
строительного производства; композиционные строительные материалы 
на основе цемента с использованием вторичных продуктов производства; 
поризованные бетоны на основе побочных продуктов промышленного 
производства.

Вклад авторов в создание монографии распределен следующим 

образом: разд. 1 – В.В. Шеховцов, Н.К. Скрипникова, М.А. Семеновых; 
разд. 2 – Н.О. Копаница, О.В. Демьяненко, А.А. Куликова; разд. 3 –
А.Б. Стешенко.

1. РАЗДЕЛЕНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ОТХОДОВ 

НА ПОРОШКОВЫЕ КОНЦЕНТРАТЫ 

ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

В данном разделе представлены результаты экспериментальных 

исследований отходов металлургических предприятий на территории 
РФ и их разделения на высококонцентрированные порошковые фракции 
для последующего использования в строительной отрасли. Разработаны 
технологические схемы и лабораторные установки для разделения металлургических 
отходов (МО) на порошковые материалы для строительной 
индустрии. Представлены результаты физико-химических исследований 
МО и полученных на их основе порошковых концентратов.

1.1. Особенности и характеристики металлургических отходов

Металлургические отходы могут применяться в строительстве 

для создания различных конструкций и материалов [1–7]. Некоторые 
примеры использования металлургических отходов в строительстве:

– металлические стружки могут применяться для создания бе-

тона с высокой прочностью и долговечностью;

– чугунные порошки – для получения абразивных материалов, ис-

пользуемых в строительстве для обработки различных поверхностей [8];

– стальные отходы – для изготовления комбинированных мате-

риалов, таких как кровля из металлических панелей или мостовых конструкций [
9];

– стальные шлаки могут использоваться в качестве заполнителя 

для бетона, чтобы улучшить его свойства и уменьшить затраты на его 
производство [10];

– металлические шламы могут быть применены для создания раз-

ных видов керамических материалов [11].

Одним из приоритетных направлений использования МО в стро-

ительной отрасли является производство керамических материалов. 
Применение МО при изготовлении керамики имеет ряд преимуществ:

– снижение экологической нагрузки на окружающую среду за 

счет утилизации опасных отходов;

1. Разделение металлургических отходов на порошковые концентраты

7

– сокращение расходов на сырье за счет использования уже име-

ющихся ресурсов;

– повышение качества керамических изделий за счет добавления 

в состав железосодержащих компонентов.

Одними из МО, которые могут применяться при производстве кера-

мики, являются шлак, зола и шлам (вторичный материал, накапливаемый 
в отстойниках или золоотвалах). Для использования МО в качестве добавки 
в керамике его нужно сначала переработать. Обычно для этого МО 
необходимо раздробить и размолоть до нужной фракции, а затем произвести 
специальные технологические операции для удаления примесей. Далее 
МО добавляют в керамическую шихту в определенном количестве 
и смешивают с другими компонентами. При обжиге такого состава металлические 
компоненты МО окисляются, что приводит к формированию новых 
соединений, повышающих прочность и твердость материала.

Таким образом, приведенные информационные аспекты значи-

мости применения МО при производстве керамики и получении различного 
состава концентрированных порошковых материалов на основе 
МО для строительной индустрии является актуальной задачей.

Для проведения комплексных исследований выбраны МО с раз-

личным химическим составом наиболее развитых металлургических 
предприятий на территории РФ:

– шламы газоочистки доменного производства (МО-1);
– шламы газоочистки конверторного производства (МО-2);
– минеральная часть конверторного шлама (МО-3);
– углеотходы обогатительной фабрики (МО-4);
– золошлаковая смесь ТЭЦ (МО-5).
В табл. 1.1 представлен усредненный химический состав МО.

Таблица 1.1

Химических состав металлургических отходов (МО)

Сырье
Содержание, масс. %

C
SiO2
Al2O3
FeO
CaO
Н2О

МО-1
До 7
До 67
До 12
До 4
До 7
–

МО-2
До 17
До 3
До 2
До 31
До 3
Остальное – вода

Вторичные продукты в производстве строительных материалов

8

Окончание табл. 1.1

Сырье
Содержание, масс. %

C
SiO2
Al2O3
FeO
CaO
Н2О

МО-3
До 11
До 12
До 5
До 3
До 3
Остальное – вода

МО-4
До 3
До 75
До 3
До 11
До 2
Остальное – вода

МО-5
–
До 26
–
До 26
До 40
–

Выбранные материалы класса МО подвергались предваритель-

ной подготовке для проведения исследования: отбор пробы в количестве 
10 кг; сушка при температуре 105 °С. На рис. 1.1 представлены 
фотографии отходов металлургического производства.

Рис. 1.1. Отходы металлургического производства:

а – шламы газоочистки доменного производства (МО-1); б – шламы 
газоочистки конверторного производства (МО-2); в – минеральная часть 
конверторного шлама (МО-3); г – углеотходы обогатительной фабрики 
(МО-4); д – золошлаковая смесь ТЭЦ (МО-5)

Определение насыпной плотности отходов было осуществлено со-

гласно методике, приведенной в ГОСТ 8735–88 (2001) «Песок для строительных 
работ. Методы испытаний» и в ГОСТ 8269.0–97 «Щебень и гравий 
из плотных горных пород и отходов промышленного производства 
для строительных работ». Полученные данные представлены на рис. 1.2. 
За результат принято среднеарифметическое значение 5 испытаний.

а
б

в
г
д

1. Разделение металлургических отходов на порошковые концентраты

9

Рис. 1.2. Плотность исследуемых материалов

Как видно из полученной гистограммы, насыпная плотность 

представленных отходов находится на уровне 1200–1500 кг/м3, а истинная 
плотность находится на уровне 2300–3900 кг/м3.

Зерновой состав определяли путем рассева отходов на стандарт-

ном наборе сит, который состоит из сита с круглыми отверстиями 
2,5 мм и сит проволочных с квадратным сечением ячейки 1,25; 0,63; 
0,315; 0,16. Высушенные до постоянной массы пробы отходов просеивали 
через сита с круглыми отверстиями диаметрами 10 и 5 мм. Далее 
подготовленные навески просеивали через набор сит с круглыми отверстиями 
диаметром 2,5 мм и с сетками № 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16. По 
результатам просеивания вычисляли:

– Частный остаток на каждом сите (аi) в процентах по формуле

ai = (mi/m)100,

где mi – масса остатка на данном сите, г; m – масса просеиваемой 
навески, г. Результаты представлены в табл. 1.2.

Вторичные продукты в производстве строительных материалов

10

Таблица 1.2

Частный остаток на ситах, %

Размер сит
MO-1
MO-2
MO-5

Остаток на сите 2,5 мм
0,35
50,30
16,00

Остаток на сите 1,25 мм
0,10
13,07
25,75

Остаток на сите 0,63 мм
0,40
9,37
46,25

Остаток на сите 0,315 мм
2,45
4,83
9,2

Остаток на сите 0,16 мм
24,55
7,67
1,45

Остаток на сите < 0,16 мм
72,15
14,76
1,34

Из данных табл. 1.2 следует, что для пробы МО-1 материал пред-

ставляет собой пылевидную тонкодисперсную массу (до 90 %) с небольшим 
количеством более крупных включений. Пробы МО-2 и МО-5 являются 
наиболее крупнодисперсными массами, что по гранулометрическому 
составу более близко к песку строительному.

– Полный остаток на каждом сите (Аi) определяется в процентах 

по формуле

Ai = a2,5 + a1,25 + … + ai,

где a2,5, a1,25, ai – частные остатки на соответствующих ситах.

– Модуль крупности отходов (Мк) без зерен размером крупнее 

5 мм определяется по формуле

Mк = (A2,5 + A1,25 + … + Ai)/100.

Результаты просеивания для частного остатка указаны в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Полный остаток на ситах, %

Размер сит
MO-1
MO-2
MO-5

Остаток на сите 2,5 мм
0,35
50,30
16,00

Остаток на сите 1,25 мм
0,45
63,37
41,75

Остаток на сите 0,63 мм
0,85
72,74
88,00

Остаток на сите 0,315 мм
3,3
77,57
97,2

Остаток на сите 0,16 мм
27,85
85,24
98,65

Остаток < 0,16 мм
100
100
100

1. Разделение металлургических отходов на порошковые концентраты

11

По данным из табл. 1.3 можно констатировать, что по группам 

песка МО-1 относится к тонким, а МО-2 и МО-5 – к крупным порошковым 
материалам. В табл. 1.4 представлен модуль крупности рассматриваемых 
материалов.

Таблица 1.4

Модуль крупности отходов

Показатель
MO-1
MO-2
MO-5

Модуль крупности
0,33
3,49
3,42

Техногенные отходы по модулю крупности (МК) характеризу-

ются следующим образом: шламы газоочистки доменного производства 
МО-1 = 0,33 относятся к тонкодисперсному материалу; шламы газоочистки 
конверторного производства MO-2 = 3,49 и золошлаковая 
смесь ТЭЦ MO-5 = 3,42 относятся к грубодисперсному материалу.

1.2. Разработка экспериментального оборудования 

для разделения металлургических отходов 
на порошковые концентраты

На сегодняшний день проблема обращения с отходами (вторич-

ные ресурсы) является одной из самых актуальных [12–14]. В металлургической 
промышленности образуется огромное количество различных 
отходов, которые существенно загрязняют окружающую 
среду, но они могут быть потенциально полезными для дальнейшего 
использования [15–17]. Одним из способов их переработки является 
разделение на порошковые концентраты, которые могут быть использованы 
в производстве различных материалов. Для решения этой задачи 
необходимо разработать специальное экспериментальное оборудование, 
которое бы позволило эффективно и быстро разделять отходы 
на концентраты различной крупности и химического состава. В данном 
разделе рассмотрим этапы разработки экспериментального оборудования 
и его характеристики.

Вторичные продукты в производстве строительных материалов

12

1.2.1. Магнитная сепарация железосодержащих компонентов 

из металлургических отходов

Представленные материалы обладают разными магнитными 

свойствами, благодаря которым они могут быть разделены [18–20]. На 
рис. 1.3 показан процесс влияния магнитного поля на частицы различного 
состава (железные, керамические).

Рис. 1.3. Магнитное разделение между железными и керамическими ча-

стицами:
● – железосодержащая частица; ○ – керамическая частица; S – южный 
полюс магнита; N – северный полюс магнита; fm – магнитная сила; G – сила 
тяжести; H – напряженность магнитного поля

Магнитная сила и гравитация являются двумя конкурирующими 

силами. Если магнитная сила, действующая на частицу, сильнее, чем 
сила гравитации, частица будет двигаться к магниту. Силы сопротивления 
и поверхностное натяжение также являются конкурирующими 
силами. Только если магнитная сила, действующая на частицу, сильнее, 
чем сумма всех конкурирующих сил, частица будет двигаться 
к магниту. Магнитное поле может создаваться постоянным магнитом 
или подачей питания на катушку.

Магнитная сила, действующая на частицу, может быть рассчи-

тана с использованием следующего уравнения:

а
б