Перспективные направления применения минеральных шламов в производстве строительных материалов
Одной из важнейших задач промышленности строительных материалов в ХХI в. является разработка и обеспечение строительства эффективными, малоэнергоемкими и экологически чистыми материалами, изготавливаемыми по безопасным технологиям с использованием местных сырьевых ресурсов, отходов и побочных продуктов промышленности.
В настоящее время более 30% растворов и бетонов в нашей стране изготавливается с использованием химических добавок и наполнителей различной природы.
Все большее применение в технологии производства строительных материалов находят побочные продукты и техногенные отходы различных отраслей промышленности.
Внимание многих исследователей привлекают твердые и пастообразные отходы в виде шламов, образующихся после обезвреживания заводских стоков предприятий химической, машиностроительной, энергетической, микробиологической, фармацевтической, стекольной и других отраслей промышленности. Значительные территории вблизи подобных предприятий заняты отходами производства, что неблагоприятно отражается на экологической обстановке. Вместе с тем шламы и им подобные отходы могут служить ценным сырьем для производства вяжущих материалов, а также их использование возможно в качестве добавок и активных наполнителей в композиционных строительных материалах.
Несмотря на то, что имеется достаточно теоретических и экспериментальных исследований, касающихся применения отходов в производстве строительных материалов, не всегда в полной мере используются их основные свойства: дисперсность, агрегатное состояние, наличие химически активных фаз (способность к химическому взаимодействию, гидратации, твердению) и поверхностно-активных веществ. Обычно основным критерием выбора служит химический состав, однако при таком подходе происходит безвозвратная потеря уникальных свойств вторичного сырья. При наличии в составе отходов аморфных (химически активных) фаз наилучшими способами их применения следует считать варианты, когда положительные эффекты обеспечиваются не только химическим составом, но и агрегатным состоянием, а также физическими свойствами отхода.
Для повышения качества строительных материалов, получаемых с использованием техногенного сырья, и снижения экологического ущерба необходимо иметь полную диагностическую информацию о химико-минералогическом составе, агрегатном состоянии, технологических условиях образования, годовом объеме производства и санитарно-гигиенических характеристиках каждого техногенного продукта производства.
На сегодняшнем уровне развития строительного материаловедения, в условиях совершенствования методов тонкого химического и структурного анализов заслуживает бульшего внимания изучение механизмов действия химических добавок и наполнителей на процессы гидратации и твердения цементных композиций, начиная с молекулярного уровня и заканчивая макроструктурой.
Первоочередное внимание следует уделять минеральным шламам, обладающим стабильным химическим составом и физическими свойствами, поскольку в этом случае значительно снижаются затраты на усреднение состава и уменьшается риск получения строительных и отделочных материалов, неудовлетворяющих нормативным требованиям.
В настоящее время карбонатные, гипсосодержащие и смешанные шламы широко используются в производстве строительных растворов. Однако это является незначительной частью возможной и широкой области применения этих наполнителей в строительстве.
Перспективным направлением применения тонкодисперсных шламов является использование их в качестве активаторов твердения, наполнителей и добавок, улучшающих технологические свойства не только цементных, но и композиционных строительных растворов на основе гипса, извести и т. д.
Особое внимание при этом следует уделять изучению механизмов гидратации и твердения вяжущих веществ в присутствии шламов, которые позволят не только разрабатывать оптимальные составы, но и прогнозировать основные свойства и долговечность наполненных композиционных материалов.
Промышленное использование шламов на строительных предприятиях г. Пензы и области в течение последних 15 лет убедительно показало необходимость, целесообразность, экономическую и экологическую эффективность внедрения подобных технологий в строительное производство. На фотографиях представлены фрагменты выполнения штукатурных и отделочных работ при строительстве жилых домов в г. Пензе. Применение шламов в качестве модифицирующих добавок и наполнителей позволяет строительным организациям получать высокие экономические эффекты за счет низкой стоимости шлама, экономии цемента и повышения качества строительных растворов, а также значительно улучшать экологическую обстановку вблизи промышленных предприятий.
Внедрение передовой технологии применения шламов позволило строительным предприятиям частично или полностью отказаться от использования дорогостоящей извести, подготовка которой с целью применения в сложных растворах требовала больших экономических затрат и строгого соблюдения санитарно-гигиенических условий труда.
За период промышленного применения гипсосодержащего шлама, с 1996 по 2006 гг.,на строительных предприятиях г. Пензыи области было использовано более 15 000 тшлама. По результатам промышленного использования гипсосодержащего шлама определились следующие основные технико-экономические показатели:
1. Экономический эффект за счет снижения расхода цемента на 10% (на период 2006 г.) составляет 85–90 руб. на 1 куб. мраствора;
2. Экономический эффект от замены извести в сложных растворах на шлам составляет (на период 2006 г.) 120–150 руб. на1 куб. м раствора;
3. Добавка шлама повышает пластичность растворных смесей, что обеспечивает хорошую перекачиваемость растворов к месту укладки и повышает качество отделки (затирки) обрабатываемых поверхностей, а повышение пластичности и качества штукатурных растворов позволяет снижать трудоемкость штукатурных работ в среднем на 15%;
4. Использование гипсосодержащего шлама в строительном производстве позволяет значительно снизить уровень загрязнения окружающей среды в г. Никольск, которая в настоящее время находится в угрожающем состоянии.
Начиная с 2006 г. строительные организации в г. Пензе интенсивно внедряют ресурсосберегающую технологию применения карбонатного шлама для химической подготовки воды, используемой в производстве штукатурных и кладочных растворов.
Исследование процессов гидратации и твердения наполненных цементных материалов и механизмов действия тонкодис-персных карбонатных и гипсосодержащих шламов позволило выявить основные аспекты химической активации цементных систем. Это дает возможность (с учетом химико-минералогического состава цементов) определять оптимальные дозировки шламов с целью улучшения технологических свойств смесей и получения требуемой прочности строительных растворов при минимальном расходе вяжущего.
С использованием метода рентгенофазового анализа получены новые данные о влиянии карбонатных шламов на фазовый состав продуктов гидратации цемента и мономинеральных вяжущих веществ. Установлено, что одним из основных механизмов действия шламов является активация образования гидросиликатов кальция с различной структурой и степенью конденсации кремнекислородных мотивов, уплотняющих систему и способствующих повышению прочности. На ранних стадиях гидратации и в присутствии карбонатного шлама происходит активация образования гидратов AFt и AFm — фаз, способствующих ускорению процессов начального структурообразования и повышению ранней прочности цементных систем. Получены экспериментальные данные о влиянии на прочность цементных композиций комплексных минеральных добавок на основе карбонатного шлама и кремнеземсодержащих местных сырьевых материалов (опока, трепел и др.). В свою очередь это позволит значительно расширить область применения этих материалов в производстве не только строительных и отделочных композитов, но и сухих смесей.
Проводятся исследования возможности применения карбонатного шлама в смеси с индивидуальными и комплексными добавками различного функционального назначения.
Проблема рационального использования вяжущих в цементных и композиционных материалах является чрезвычайно актуальной. В связи с этим задачей строительного материаловедения является разработка комплексных вяжущих с максимальным использованием технологий геополимерных материалов. Перспективным направлением исследований является совершенствование технологий получения гипсовых вяжущих на основе гипсосодержащих шламов. С целью изучения состава и свойств подобных гипсовых вяжущих проводятся исследования по оптимизации режимов термообработки гипсосодержащего шлама и оценка влияния примесей. Разрабатываются композиционные вяжущие материалы с использованием гипсового вяжущего, цемента и активных минеральных добавок на основе местного сырья. Строительные материалы, изготовленные с применением таких вяжущих, обладают повышенной водостойкостью, прочностью и долговечностью.
Широкая область применения и эффективности использования сухих строительных смесей (ССС) способствует стабильному росту их производства в России. В проблеме повышения качества ССС важными являются поиск и создание новых функциональных добавок, позволяющих рационально использовать потенциал вяжущих веществ и, в первую очередь, цемента. Одним из направлений научных исследований в области разработки и оптимизации составов ССС является проектирование композиционных вяжущих, на основе которых в дальнейшем может быть разработан целый ряд эффективных материалов. Композиционные вяжущие, в большинстве случаев, представляют собой смеси цементного, известкового или гипсового вяжущего, минеральных наполнителей и химических добавок.
Повышение активности и уровня рационального использования вяжущих веществ может быть достигнуто различными путями: увеличением тонкости помола, химической и механогидрохимической активацией, оптимизацией составов и режимов твердения и т. д. Наиболее эффективным способом является совместный помол вяжущего и наполнителя. Например, совместный помол цемента и активных минеральных добавок позволяет снизить расход вяжущего в композиционной смеси до 30–40%.
В качестве активных минеральных добавок в композиционных вяжущих могут быть использованы не только карбонатные материалы, но и кремнеземсодержащие добавки, широко распространенные в средней полосе России. Совместное применение тонкодисперсных карбонатных шламов и подобных добавок в производстве композиционных вяжущих веществ позволяет рационально использовать кристаллохимическую активность карбонатного наполнителя и пуцциоланистическую активность минеральных добавок. В этом случае возможно достижение значительных синергетических эффектов. Наилучшие результаты могут быть получены при использовании плотных опок, обладающих малой водопотребностью. Предварительные исследования показали, что совместное использование карбонатного шлама и плотных опок (Пензенской области) в качестве наполнителей в цементно-песчаных композициях позволяет повышать прочность составов на 60–70%, что обеспечивает снижение расхода вяжущего (при получении равнопрочных материалов) на 20–30%.
Следует отметить, что для получения строительных и, особенно, отделочных материалов хорошего качества во многих случаях вовсе и не требуется достижение высокой прочности. Поэтому широкое применение композиционных вяжущих с использованием местного сырья и минеральных шламов для получения таких материалов вполне оправдано.
Таким образом, при производстве композиционных штукатурных составов и отделочных материалов количество вяжущих веществ в комплексных смесях может быть снижено до 20–25% от общего количества. В масштабах регионов и страны в целом это позволит получать значительные экономические и экологические эффекты.
С использованием традиционных вяжущих, диатомитов, карбонатных материалов и шламов производятся исследования с целью получения композиционных вяжущих и сухих строительных смесей для производства теплоизоляционных материалов, работающих в условиях повышенных температур. Это направление исследований является важным и перспективным, поскольку позволяет решать проблему получения эффективных и дешевых материалов для тепловой изоляции и обмуровок теплогенерирующих установок и технологических трубопроводов.
На основе минеральных диатомито-карбонатных смесей разрабатываются теплоизоляционные материалы на органических связующих. Важным аспектом в подобных исследованиях является изучение механизмов химической и кристаллохимической активации процессов гидратации и твердения, закономерностей формирования пористой структуры композитов, реологических и физико-механических свойств, что позволит управлять процессами структурообразования и получать материалы с высокой степенью надежности и долговечности.
Перспективным направлением исследований является разработка безрулонных, мастичных гидроизоляционных материалов с использованием в качестве микронаполнителей карбонатных и смешанных шламов. Эти материалы водонепроницаемы, обладают достаточной прочностью, долговечны, технологичны и дешевы. Дальнейшие исследования должны быть направлены на изучение основных свойств наполненных органо-минеральных систем с максимальным использованием некоторых уникальных свойств шламов: высокой дисперсности, способности к самоотверждению и т. д.
Повышение эффективности тепловой защиты зданий является сегодня одной из важнейших проблем строительной отрасли. В связи с этим необходимо продолжать исследования по разработке теплоизоляционных материалов на минеральной основе. В настоящее время на кафедре «Земельный и городской кадастры» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства разработан ряд теплоизоляционных материалов с использованием минеральных шламов. Эти материалы успешно эксплуатируются на строительных объектах г. Пензы. Дальнейшие исследования направлены на изучение структуры и основных физико-технических свойств подобных материалов, а также на разработку технологических основ устройства тепловой защиты зданий и сооружений.
В стране сегодня накоплено достаточно минеральных ресурсов в виде различных отходов промышленности и минеральных шламов, чтобы при эффективном их использовании и рациональном расходе цементных, гипсовых и композиционных вяжущих получать высококачественные строительные материалы.
Следует отметить, что минеральные шламы, являясь ценнейшим сырьем для производства широкой номенклатуры строительных, теплоизоляционных и отделочных материалов, в большинстве случае остаются невостребованными и накапливаются в огромных количествах вблизи промышленных предприятий.
Научно обоснованный подход к проблеме вовлечения шламов в строительное производство должен способствовать расширению области применения шламов и разработке новых ресурсосберегающих технологий производства эффективных и дешевых строительных материалов.
| Автор: О. В. Тараканов, Т. В. Пронина, А. О. Тараканов Дата: 31.01.2007 Журнал Стройпрофиль 1-07 Рубрика: экология Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |