Использование промышленных отходов в производстве бетона и сборного железобетона
Использование промышленных отходов в производстве бетона и сборного железобетона
Интенсивное использование человеком природных ресурсов и вовлечение в переработку значительных объёмов горных пород, воды и воздуха сопровождаются непрерывным ростом отходов и нарушают экологическое равновесие в природе.
На удаление отходов производство затрачивает в среднем 8–10% стоимости производимой продукции. Утилизация промышленных отходов является важным путём снижения затрат и уменьшения ущерба окружающей среде.
Одним из крупных потребителей промышленных отходов является промышленность по производству строительных материалов, где удельный вес такого сырья достигает 50%. Как правило, используют отходы, по своему составу и свойствам близкие к природному сырью. Это объясняется тем, что переработка техногенных отходов в сырье для искусственных строительных материалов (ИСМ) дешевле, чем переработка природных материалов. Однако при использовании промышленных отходов в сырьё для ИСМ возникает другая проблема — безопасность жизнедеятельности и здоровья человека.
Угроза безопасности жизнедеятельности, а также возможность её предотвращения и устранения стали отдельными предметами исследования в общей проблеме организационно-технологической надежности (ОТН) строительного производства. Сформулированный ещё в1997 г. доктором технических наук, профессором В. О. Чулковым, принцип организационно-антропотехнической надёжности (ОАН) является логическим творческим развитием принципа ОТН и относится к функциональной системе «Безопасность жизнедеятельности», которая в свою очередь является объектом исследования в строительной антропотехнике.
Направление в строительной антропотехнике — организационно-антропотехническая надёжность искусственных строительных материалов (ОАН ИСМ) — научно-практическая деятельность, направленная на исследование патогенного влияния искусственной среды обитания на человека в жилище. В передовых технически развитых странах более 40 лет существуют научно обоснованные нормативы и регламенты, определяющие экологичность используемых строительных материалов.
Рассмотрим ситуацию на примере использования золошлаковых отходов ТЭС.
Известно, что в России годовой выход золошлаковых материалов удваивается примерно через каждые 10 лет. Ежегодный выход зол и шлаков от сжигания различных видов топлива составляет в целом по стране более 30 млн т. К настоящему времени в отвалах скопилось более 1 млрд т золошлаковых отходов.
Многолетние теоретические и экспериментальные исследования ведущих научно-исследовательских и учебных институтов, как и других организаций, доказали высокую эффективность применения в производстве бетона и железобетона золошлаковых отходов ТЭС. Золошлаковые отходы от сжигания угля могут быть использованы в производстве цемента (при помоле цементного клинкера) и в качестве добавки (взамен части вяжущего в тяжёлых и лёгких бетонах и растворах) и мелкого заполнителя (вместо части песка и щебня мелкой фракции), а также кремнеземистого компонента при изготовлении изделий из плотных и ячеистых бетонов автоклавного твердения и т. д.
Одной из областей применения золошлаковых материалов в строительстве является использование золы-уноса. Золами обычно называют остатки от сжигания твёрдого топлива. В зависимости от вида сгоревшего топлива золы отличаются содержанием несгоревших остатков. По этому показателю виды твердого топлива располагаются по возрастающей: сланцы, бурые угли, газовые, длинно-пламенные, слабоспекающиеся, антрацит. Размер частиц золы — менее0,14 мм. Более крупные зёрна относят к шлаковому песку и щебню. Золы уноса (дымоходные золы) более однородны по составу и свойствам, чем золы отвала, поэтому они предпочтительнее для приготовления бетона. Физическое влияние золы на свойства бетонной смеси обусловлено её гранулометрическим составом, благодаря которому она хорошо дополняет состав цемента или мелкого заполнителя. Пригодность золы для изготовления вяжущих и бетонов устанавливают путём опытной проверки химического состава и содержания вредных примесей, к которым относятся несгоревшее топливо, сера, негашёная известь, оксид магния.
Эффективность применения зол в производстве бетона и сборного железобетона объясняется тем, что большая их часть обладает вяжущими свойствами, а оставшаяся часть (так называемые кислые золы) проявляют пуццоланический эффект (нарастание прочности бетона по прошествии определённого времени). Гидравлическая активность зол в значительной мере обусловлена химическим взаимодействием входящих в них оксидов кремния и алюминия с гидроксидом кальция, выделяющимся при гидролизе клинкерных минералов, с образованием гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. Гидратации зол способствует их стекловидная фаза, а кристаллическая фаза в этом процессе практически инертна. Химическая активность зол непосредственно связана также с их дисперсностью.
Действующие нормативные документы разрешают применять золу-унос в качестве добавки для приготовления бетонов сборных и монолитных конструкций зданий и сооружений, кроме конструкций, эксплуатируемых в средах со средней и сильной агрессивностью. В зависимости от области применения золу подразделяют на виды: I — для железобетонных конструкций и изделий; II — для бетонных конструкций и изделий; III — для конструкций гидротехнических сооружений. В пределах отдельных видов дополнительно выделяют классы золы для бетонов: А — тяжёлый; Б — легкий. Удельная поверхность золы класса А должна быть не менее 2 800 см2/г, а класса Б — 1 500–4 000 см2/г. Остаток на сите № 008 для золы класса А не должен превышать 15% по массе. Влажность золы сухого отбора должна быть не более 3%. Золу-унос не рекомендуется применять в бетонах, предварительно армированных напряжённой термически упрочнённой арматурой. Для применения в бетонах образцы из смеси золы и цемента проверяют кипячением в воде на равномерность изменения объема.
Увеличение в последние годы производства монолитного бетона и железобетона предопределило необходимость существенного снижения их материалоёмкости и энергоёмкости производства и применения технологий работы с ИСМ. Бетонные смеси с добавкой золы обладают большей вязкостью, лучшей транспортабельностью и перекачиваемостью, меньшими водоотделением и расслоением. При этом улучшаются защитные свойства по отношению к стальной арматуре и некоторым видам коррозии, а также теплофизические показатели бетона. Использование зол и золошлаковых смесей способствует решению экологических проблем и созданию безотходных производств, обеспечивает промышленные предприятия дешёвым сырьём, упрощает и интенсифицирует технологические процессы.
Большинство исследователей отмечают положительное влияние повышения дисперсности золы на прочность бетона. Установлено, что активность золы существенно повышается при доведении размеров её частиц до 5–30 мкм. Исследовав прочность растворов из цементов, полученных смешиванием клинкера и золы, измельченных до значений удельной поверхности 2 500–6 400 и 3 000–8 000 см2/г соответственно, исследователями было установлено необходимое соответствие между гранулометрическим составом золы и тонкостью помола клинкера. Наиболее значительно повышение дисперсности золы сказывается на прочности бетона в раннем возрасте [4].
Характерно, что влияние дисперсности золы на прочность бетона проявляется заметно сильнее, чем на прочность цемента. Это обусловлено пластифицирующим эффектом тонких фракций золы на бетонные смеси, несмотря на возможное при этом увеличение нормальной густоты золосодержащих элементов. Домол даже малоактивных зол до 4 000–5 000 см2/г позволяет сэкономить 20–30% цемента без снижения класса бетона. Более целесообразным является мокрый помол, при котором золу не подсушивают, и достигается более высокая дисперсность [4].
Применение ИСМ, кроме перечисленных положительных факторов, характеризуется и рядом негативных проявлений (например, влияние золы на коррозию арматуры и бетона). К числу таких проявлений относят: содержание в золе несгоревших углистых остатков, стеклофазы, сернистые соединения, гидравлическая активность золы. Правильный подбор состава бетона позволит обеспечить первоначальную пассивность арматуры в бетоне. Длительная сохранность арматуры зависит от проницаемости бетона, толщины защитного слоя до арматуры и условий эксплуатации конструкций.
Исследования последних лет показали принципиальную возможность получения бетона, обеспечивающего первоначальную пассивность стали и способность длительно сохранять свои защитные свойства и коррозионную стойкость.
Использование промышленных отходов позволяет удовлетворить до 40% потребности строительства в сырьевых ресурсах. Применение промышленных отходов позволяет на 10–30% снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья. Кроме того, из промышленных отходов можно создавать новые строительные материалы с высокими технико-экономическими показателями.
С одной стороны, использование техногенных отходов способствует решению экологических проблем и созданию безотходных производств, обеспечивает промышленные предприятия дешёвым сырьём, упрощает и интенсифицирует технологические процессы. Но с другой стороны, применение техногенных отходов опасно, если оно происходит с нарушением экологических требований. Поэтому применение техногенных отходов в строительных материалах должно корректироваться результатами диагностики и мониторинга уровня комфортного обитания конкретного человека в помещениях, выполненных с применением таких материалов. Только тогда можно говорить о степени экологичности жилья и уровне его комфортности в целом.
М. А. Фахратов, д. т. н., профессор,
В. И. Сохряков, доц.,
А. А. Белов, аспирант;
Кафедра технологии вяжущих материалов и бетонов
Московской академии коммунального хозяйства и
строительства (МГАКХиС).
В. М. Фахратов, аспирант
Московского государственного строительного
университета (МГСУ)
Литература
1. Фахратов М. А. «Применение золы и шлаков в целях экономии цемента в организациях Минсевзапстроя РСФСР». Научно-технический информационный сборник, №3. — М.,1990 г.
2. Фахратов М. А., Кальгин А. А., Горшков В. Б., Красненков С. И., Апраилов Р. А, Юсупов Х. Ю. «Опыт использования золы-уноса и золошлаковых отходов ТЭС на предприятиях строительной индустрии концерна “Россевзапстрой”». Научно-технический информационный сборник, №2. — М.,1991 г.
3. Кальгин А. А., Фахратов М. А., Кикава О. Ш., Баев В. В. «Промышленные отходы в производстве строительных материалов». — М.,2002 г.
4. Дворкин Л. И., Пашков И. А. «Строительные материалы из отходов промышленности». — К.: «Высшая школа»,1989 г.
| Автор: В. М. Фахратов Дата: 07.03.2013 Журнал Стройпрофиль 105 Рубрика: бетоны и жби: технологии, оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |