Строительство и архитектура/4.Современные строительные материалы

Д.т.н., профессор Монтаев С. А., докторант Шингужиева А.Б.,

к.т.н. Адилова Н.Б., Казжанов Р.С.

Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир хана, Казахстан

Исследование возможности получения легких и пористых гранулированных материалов на основе

невспучивающихся лессовидных суглинков

Одним из ведущих мест при строительстве энергоэффективных зданий и сооружений принадлежит легким и пористым гранулированным теплоизоляционным материалам.

Категория этих материалов очень востребована строительной индустрией ввиду того, что они имеют широкий спектр применения в производстве легких теплоизоляционно-конструкционных бетонов, в качестве насыпной теплоизоляции оснований и фундаментов, отмостков, полов, плит перекрытий и покрытий, а также кровли зданий и сооружений.

При попытке производства качественного керамзита с использованием невспучивающихся и слабовспучивающихся глин необходимо вводить вспучивающие добавки в виде солярового масла или мазута, что тоже требуют дополнительных затрат для их производства.

Одним из перспективных направлений на наш взгляд является использования нефтешламов (отходы нефтяной отрасли) в качестве выгорающей и модифицирующей добавки в силу того, что они относятся к категории легковоспламеняющихся и горючих материалов.

Проблеме использования нефтяных шламов в производстве строительных материалов посвящены и труды зарубежных ученых [1-3].

Учеными из Вильнюсского технического университета (Литва) были проведены научно-экспериментальные исследования по использованию нефтяных шламов в технологиях керамических материалов. Полученные научные результаты авторов показали перспективность использования нефтяных шламов в керамическом производстве, с точки зрения модификаций керамических масс и улучшения физико-механических свойств готового продукта.

Исследования в этом направлении активно проводятся и зарубежом. В работе [4] в качестве сырьевой композиции для производства легких заполнителей использовали следующие сырьевые материалы: смытый совокупный шлам (ССШ) из гравийного карьера, осадок сточных вод из очистных сооружений (ОС) и обогащенный глиняный осадок.

Все ингредиенты смешивались, измельчались и формовались в гранулы, которые предварительно нагревали в течение 5 мин и обжигали во вращающейся печи при температурах 1150 °С, 1175 °С, 1200 °С и 1225 °С в течение 10 и 15 мин при каждой температуре.

Авторами были определены свойства материалов в зависимости от температуры нагрева и времен выдержки такие, как потери при прокаливании (ПП), коэффициент вспучивания (КВ), насыпная плотность ( ρ _б ), и плотность сухих частиц ( ρ , ρ _d ), пористость (П ), водопоглощение (В) и прочность на сжатие ( ПС ). Полученные легкие заполнители (ЛЗ) соответствовали стандартам UNE-EN 13055-1 ( ρ _б  ≤ 1,20 г/см ³ или плотность частиц ≤ 2,00 г/см ³ ). Были вспучены легкие заполнители, изготовленные из 50% смытого совокупного шлама и 50% обогащенного глиняного осадка.

Легкие заполнители, полученные при таком соотношении компонентов, в результате показали самую низкую насыпную плотность, самое низкое водопоглощение и высокую прочность на сжатие.

В исследованиях ученых [5] разработана технология вспученного легкого заполнителя, приготовленная из перекиси водорода в качестве пенообразователя. Технология отличается экологичностью и энергоэффективностью, а также была использована в качестве крупного заполнителя для получения бетона.

Зарубежными учеными [6] были исследованы свойства легкого заполнителя с использованием золы от сжигания осадков сточных вод. Золу (пепел) смешивали с пластичной глиной, формовали сферические гранулы и быстро обжигали во вращающейся трубчатой печи при температуре от 1020 и 1080 ° C.

Полученные результаты свидетельствуют о возможности изготовления высокого качества легкого заполнителя из чистой, инертной золы от сжигания осадков сточных вод, с использованием относительно простой обработки и низкой температурой спекания.

Целью нашего исследования является:

- подбор сырьевых компонентов для производства легкого, пористого и теплоизоляционного материала;

- разработка компонентного состава для производства легкого, пористого и прочного теплоизоляционного материала методом гранулирования с целью получения готового продукта с широким спектром фракции;

- анализ результатов предварительных экспериментальных данных.

В Республике Казахстан запасы глин, пригодных для производства керамзита очень ограничены, поэтому особую актуальность и перспективность имеют исследования, направленные на разработку технологии гранулированных пористых теплоизоляционных материалов с использованием широко распространенных сырьевых ресурсов и отходов промышленности.

Из разнообразия природных и техногенных сырьевых ресурсов Казахстана наибольший интерес в качестве основного сырья для производства легких, пористых и прочных теплоизоляционных материалов по технологии гранулирования представляют лессовидные суглинки.

Для достижения поставленной цели в качестве объекта исследовании выбраны лессовидный суглинок Западно-Казахстанского месторождения и нефтешлам нефтедобывающей компаний ТОО «Жайык Мунай».

В целом многими учеными установлено сходство физико-химических характеристик нефтешламов различного происхождения в результате постепенного усреднения их компонентного состава в процессе хранения.

Изучение физико-химических свойств углеводородной части нефтешламов показало её близость к тяжёлым нефтяным фракциям, что позволило вовлекать их в состав котельных топлив, как с предварительной переработкой, так и без неё [7-9].

Для проведения экспериментальных работ сырьевые материалы подвергали помолу в лабораторной шаровой мельнице МШЛ – 1П до удельной поверхности 1500 – 2000 см²/г. Пробу нефтешлама, полученную в результате зачистки резервуаров, предварительно подвергали усреднению путем механического перемешивания.

После усреднения нефтешлам имел следующие характеристики: вязкость условная при 80 ^о С - 2,11; плотность при 20 ^о С - 960 кг/ м³; содержание нефтепродуктов 34,5-37,6 % мас., воды - 28-35,4 % мас., механических примесей 4,3-4,6 % мас. В нефтешламе, как и в тяжелых остатках, присутствовали природные эмульгаторы - смолы, асфальтены, высокоплавкие парафины.

Для проведения экспериментальных работ нефтешлам из высоковязкого состояния переведен в капиллярно-пористое коллоидное состояние путем

совместного перемешивания с тонкодисперсным лессовидным суглинком.

Данная технологическая операция переводит нефтешлам в сыпучий конгломерат с влажностью 10-12% и обеспечивает удобную позицию для последующих технологических операций как дозирование и равномерность распределения при перемешивании с основной массой.

Из подготовленных компонентов составлялась сырьевая композиция путем взвешивания и дозирования. Конкретные компонентные составы исследуемого объекта представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Компонентные составы керамической композиции

№ составов	Компоненты, мас. %
	Лессовидный суглинок	Конгломератная смесь: лессовидный суглинок- нефтешлам
1	99,0	1,0
2	97,0	3,0
3	95,0	5,0

Из исследуемых составов приготовлялась керамическая масса с формовочной влажностью 18 - 20 %. Затем изготовляли гранулы с фракциями 5-10,

10-20, 20-40 мм и обжигались без предварительной сушки в электрической печи СНОЛ 80/12 по специально разработанному режиму.

Термообработанные гранулы подвергались испытанию по определению физико-механических свойств. Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Физико-механические свойства исследуемых образцов

№ составов	Коэффициент чувствительности к сушке по экспресс – методу Чижского, сек	Температура обжига, ^0С	Насыпная плотность кг/м^3	Прочность при сдавливании в цилиндре, МПа	Тепловодность Вт/м^.К
1	105	115020	812	6,2	0,18
2	123		732	5,3
3	142		514	5,2	0,08

Как показывают результаты экспериментальных исследований, с увеличением содержания конгломератной смеси: лессовидный суглинок - нефтешлам за счет уменьшения содержания основного сырья наблюдается снижение насыпной плотности от 812 до 514 кг/м³. Низкие показатели насыпной плотности наблюдается у составов №2 и 3 и находятся в пределах 732 - 514 кг/м³. Аналогичные изменения происходят касательно теплопроводности и прочности при сдавливании в цилиндре. Минимальное значение прочности и теплопроводности также наблюдается у состава №3, при этом прочность при сдавливании в цилиндре у этого состава составляет 5,2 МПа, а теплопроводность равна 0,08 Вт/м^.К.

Заключение. В результате экспериментальных данных доказана возможность создания легкого, пористого гранулированного материала с лучшими теплоизоляционными свойствами, а также физико-механическими свойствами на основе лессовидных суглинков, отличающихся от свойств традиционного керамзита из монтмориллонитовых глин.

При этом предлагаемая технология имеют следующие сильные стороны:

- возможность использования легкодоступных и дешевых сырьевых ресурсов в виде лессовидных суглинков;

- обеспечивается энергоэффективность технологии за счет использования нефтешламов;

- обеспечивает получение широкого спектра фракции готовой продукции, которая позволяет проектировать составы легких бетонов с высокими прочностными показателями;

- готовый продукт в виде легкого, пористого гранулированного материала за счет лучших теплоизоляционных свойств может использоваться для проектирования и строительства энергоэффективных зданий и сооружений.

Литература

1. Kizinievič, Olga [Kizinievic, Оlga]; Žurauskienė, Ramunė [Zurauskiene, Ramunė]; Mačiulaitis, Romualdas [Maciulaitis, Romualdas]; Kičaitė, Asta [Kicaite, Аsta]. Study of the technogenical raw materials (catalyst) of the oil industry and possibility to utilize them in the constractional ceramics production / Olga Kizinievic, Ramunė Zurauskiene, Romualdas Maciulaitis, Asta Kicaite // The 7th International conference "Environmental engineering" [elektroninis išteklius]. May 22-23, 2008 Vilnius, Lithuania: proceedings [CD].Vilnius : Technika, 2008. ISBN 9789955282563. p. 1-7.

2.  Kizinievič, Olga [Kizinevich, O.]; Mačiulaitis, Romualdas [Machyulaitis, R.]; Kizinievič, Viktor [Kizinievich, V.G.]; Yakovlev, G.I. Utilization of technogenic material from an oil-processing company in the production of building ceramics / O. Kizinevich, R. Machyulaitis, V. Kizinevich, G.I. Yakovlev // Glass and ceramics. New York : Springer. ISSN 0361-7610. Vol. 63, iss. 1-2 (2006), p. 64-67.

3. Kizinievič, Olga; Žurauskienė, Ramunė; Kizinievič, Viktor; Žurauskas, Rimvydas; Tumonis, Liudas. Application of technogenic-raw material and burning out additive in composite ceramic system / Olga Kizinievič, Ramunė Žurauskienė, Viktor Kizinievič, Rimvydas Žurauskas, Liudas Tumonis // Materials science = Medžiagotyra : 20th International Baltic conference on Materials Engineering, Kaunas, October 27-28, 2011. Kaunas : Technologija. ISSN 1392-1320. Vol. 18, no. 3 (2012), p. 296-302. Prieiga per internetą.

4. B. González-Corrochano, J. Alonso-Azcárate , M. Rodas. Production of lightweight aggregates from mining and industrial wastes. United States. Journal of Environmental Management 90 (2009) 2801-2812.

5. Fakhfakh, E.^a , Hajjaji, W.^a, Medhioub, M.^b ,  Rocha, F.^c López-Galindo, A.^d ,  Setti, M.^e ,  Kooli, F.^f,  Zargouni, F.^g,  Jamoussi, F.^a. Effects of sand addition on production of lightweight aggregates from Tunisian smectite-rich clayey rocks. Applied Clay Science. 35 (2007) 228-237. Netherlands. ISSN: 0169-1317.

6. C.R. Cheeseman^, , G.S. Virdi. Properties and microstructure of lightweight aggregate produced from sintered sewage sludge ash. Resources, Conservation and Recycling. 45 (2005) 18–30. ISSN: 0921-3449. University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA.

7. Жумаев К. К. Выбор метода обезвреживания и очистки нефтяных шламов / К. К. Жумаев, Л. Н. Орипова // Молодой ученый. — 2014. — №1. — С. 84-85

8. Ковалева Л.А., Миннигалимов Р.З, Зиннатуллин P.P. Электромагнитные технологии в нефтедобыче и нефтяной экологии // Недропользование - XXI век, 2009. № 6. с. 56 - 59.

9. Котенев Ю.А., Андреев В.Е., Давыдов В.П., Юсупов О.М., Сиднев A.B. Экологические аспекты функционирования нефтегазовых техноприродных систем: Учебное пособие. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1998.