Технология получения сухих строительных смесей с использованием техногенного сырья

К.т.н. Сакович А.А., к.т.н. Бирюк В.А., к.т.н. Вилькоцкий А.И.

Учреждение образования «Белорусский государственный технологический

университет», Республика Беларусь

Технология получения сухих строительных смесей

с использованием техногенного сырья

В настоящее время уровень организации строительства во многом определяется объемом использования сухих строительных смесей заводского производства. К числу перспективных сухих смесей предназначенных для устройства полов общественных и промышленных зданий относятся самовыравнивающиеся мелкозернистые бетоны на ангидритовых цементах, сырьем для получения которых может служить фосфогипс – отход производства экстракционной фосфорной кислоты.

Известные технологии переработки фосфогипса на вяжущие материалы (a- и b-полугидраты) не обеспечивают эффективного решения проблемы его утилизации – они громоздки и требуют предварительной подготовки фосфогипса (сушки и отмывки от примесей, нейтрализации сточных вод и т.д.). Получаемые на основе фосфогипса вяжущие имеют низкую водостойкость и невысокие прочностные характеристики, что существенно ограничивает их применение.

Предлагаемая технология ангидритового цемента проста и включает следующие технологические переделы: приготовление сырьевого шлама на основе фосфогипса и добавок, его высокотемпературный обжиг, помол клинкера, хранение и отгрузку ангидритового вяжущего.

Приготовление сырьевого шлама для производства ангидритового цемента производилось в условиях, максимально приближенных к заводским, где в качестве основного оборудования для размучивания и перемешивания используется болтушка.

Анализ представленных в табл. 1 показателей свидетельствуют о том, что ангидритовый цемент существенно отличается по своим свойствам от широко используемых воздушно-твердеющих и гидравлических вяжущих материалов.

Таблица 1

Основные характеристики ангидритового цемента

Наименование свойств	Значение показателей
Водопотребность, %	20-25
Сроки схватывания, мин: начало конец	30-45 80-180
Предел прочности при сжатии, МПа: через 3 суток твердения через 28 суток твердения	23-30 30-38
Коэффициент размягчения	0,8-0,9
Плотность, кг/м³	1800-2000
Полная растекаемость с созданием самонивеллирующейся поверхности, %	36-38

Так, для строительного гипса характерны водопотребность на уровне 60%, коэффициент размягчения – менее 0,35, время твердения не более 15 мин. В то время как ангидритовое вяжущее характеризуется высоким темпом набора прочности в ранние сроки.

Разработанное вяжущее имеет также ряд преимуществ и перед портландцементом в некоторых областях его применения. Это прежде всего высокая подвижность при относительно малом обводнении. Получение на основе портландцемента высокоподвижных растворов, способных растекаться, образуя самонивелирующую поверхность, сопряжено со значительными трудностями. Обводнение не может быть более 60%, так как далее наступает расслоение воды и теста, при этом тесто еще недостаточно подвижно, а для дальнейшего увеличения его подвижности необходимо применять суперпластификаторы.

Ангидритовый цемент образует высокоподвижое тесто уже при содержании 38% воды это обусловлено кристалличностью его структуры, тогда как растворы портландцемента представляют собой аморфную силикатную систему образующую структурированные водные гели. Тесто ангидритового вяжущего при обводнении на уровне 38% полностью растекается, создавая самонивелирующуюся поверхность. Добавки пластификаторов при этом не требуется, а высаливание водной фазы составляет менее 2%.

Проведенный комплекс физико-химических исследований позволил установить образование при синтезе гидравлически активной фазы двухкальциевого феррита. Из литературы известно [1-2], что вместе с присоединением воды двухкальциевым ферритом, процесс его гидратации сопровождается гидролитическим разложением. Причем, гидролиз данного соединения идет с выделением СаО. Таким образом, ускорение гидратационных и кристаллизационных процессов при твердении ангидритового цемента, заключается в направленном синтезе двухкальциевого феррита при термообработке исходной сырьевой шихты, который является не только носителем прочности, но и выполняет роль активатора в процессе твердения за счет гидролиза данного соединения, идущего с выделение оксида кальция.

Было проведено исследование процесса гидратации двухкальциевого феррита (2CaO·Fe₂O₃) в присутствии ангидрита (CaSO₄) с использованием нескольких модельных смесей.

Результаты по определению физико-механических свойств исследуемых смесей представлены в табл.2.

Таблица 2

Влияние ангидрита на прочность двухкальциевого феррита

Состав смеси	Предел прочности при сжатии (МПа), в возрасте
Состав смеси	1 сут.	3 сут.	7 сут.	28 сут.
2CaO ∙ Fe₂O₃	7,3	13,2	18,3	24,0
2CaO ∙ Fe₂O₃ + CaSO₄	15,8	21,1	22,8	29,1

Как видно из результатов, приведенных в табл. 2, присутствие ангидрита оказывает существенное влияние на процессы гидратации и структурообразование камня двухкальциевого феррита. Состав, содержащий ангидрит характеризуется более высоким темпом набора прочности по сравнению со смесью, где он отсутствует, что подтверждают результаты дифференциально-термического анализа. Присутствие ангидрита меняет направленность процессов гидратации C₂F и способствует образованию гидратов другой структуры и морфологии. В результате активации процессов гидратации происходит значительное увеличение прочности по сравнению с чистым минералом. Связано это с образованием твердых растворов гидросульфоферрита кальция и гидроферритами.

Ряд составов ангидритового цемента могут быть также рекомендованы для разработки рецептур сухих строительных смесей шпаклевочного и штукатурного назначения. Штукатурка на основе ангидритового цемента является декоративной, хорошо окрашивается пигментами как минерального, так и органического происхождения. Аналогичный результат может быть получен только на белом цементе, стоимость которого в несколько раз выше и его производство в Республике Беларусь отсутствует.

Введение в состав сырьевой шихты определенного количества карбонатных пород интенсифицирует темп набора прочности твердеющей системы и обеспечивает получение составов вяжущих композиций пригодных для создания рецептур сухих смесей различного назначения.

К достоинствам предлагаемой технологии следует отнести следующее:

– обширный рынок сбыта ангидритового цемента, что обусловлено отсутствием в Республике Беларусь достаточного количества гипсовых вяжущих;

– использование в качестве основного сырья (до 90%) практически «бесплатного» фосфогипса, а в качестве добавок – других отходов промышленности и местного минерального сырья;

– использование технологии низкотемпературного обжига ангидритового цемента существенно снижающей затраты на производство и позволяющей сделать его высокорентабельным;

– возможность внедрения технологии на существующих производствах, оснащенных всеми необходимыми коммуникациями и свободными производственными мощностями.

Литература

1. Тейлор Х. Химия цемента. Пер. с англ. – М.: Мир, 1996. – 560 с.

2. Горшков В.С., Тимашев В.В., Савельев В.Г. Методы физико-хими-ческого анализа вяжущих веществ – М.: Высшая школа, 1981. – 335 с.