к.т.н. Кудрышова Б.Ч., к.т.н. Станевич В.Т.,

магистрант Мусаханова С.Т., магистрант Такибай Ш.Т.

Павлодарский государственный университет им. С.Торайгырова, Республика Казахстан

Строительные материалы на основе

промышленных отходов

На современном этапе жизненные интересы человечества связаны с наличием природных ресурсов. Их рациональное расходование обрело значение глобальной проблемы, поэтому все более актуальным становится поиск эффективных путей ее решения. Так же в реализации государственной концепции устойчивого развития региона немалая роль принадлежит строительному комплексу и ее важнейшей составляющей – промышленности строительных материалов. Для изготовления строительных материалов изымается огромный объем естественных природных ресурсов. Решение этой актуальной народнохозяйственной проблемы предполагает разработку эффективных безотходных технологий, за счет комплексного использования сырья, что одновременно приводит и к ликвидации огромного экологического ущерба, оказываемого хранилищами промышленных отходов. В то же время многие отходы промышленности представляют большой интерес, остаются недостаточно востребованными по различным причинам.

В Павлодарской области Республики Казахстан в настоящее время сосредоточено значительной количество разнообразных по свойствам и агрегатному состоянию многотоннажных побочных продуктов и отходов промышленности.

Одним из наиболее перспективных по комплексу строительно-технических свойств и количеству, накопленному в отвалах, является бокситовый шлам глиноземного производства. По последним данным в шламовых хранилищах АО «Алюминий Казахстана» сейчас находится более 90 млн. тонн шлама, который практически не используется. Между тем это ценное сырье для производства широкой номенклатуры строительных материалов и изделий, начиная от вяжущих и бетонов на их основе до лакокрасочных материалов.

В первую очередь целесообразно эксплуатировать вяжущие свойства шлама, обусловленные его химическим и фазовым составом с большим содержанием двухкальциевого силиката, гидроаллюминатов и гидросиликатов различной основности, способных к гидратационному твердению. Результаты многочисленных научных исследований доказывают, что уже в перспективе можно организовать производство безцементных низкомарочных вяжущих на основе бокситового шлама глиноземного производства, которые будут значительно дешевле цемента и бетонов на их основе. Себестоимость изделий из таких бетонов будет до 3 раз ниже стоимости цементных бетонов, поскольку наиболее дорогостоящим компонентом бетонной смеси является цемент. Бокситовый шлам более эффективен и в производстве автоклавных бетонов, как плотных, так и ячеистых, однако гидротермальная обработка изделий паром повышенного давления весьма дорогостоящая, что ограничит интерес потенциальных инвесторов к данной технологии.

Так же, одним из рациональных путей решения проблемы утилизации бокситового шлама является использование его для получения эффективных строительных материалов по безобжиговой технологии. Сущность данной технологии заключается в осуществлении технологического процесса, противоположного обжигу, это в углублении процессов гидратации шлама в дисперсном состоянии с целью получения гидратов с нестабильной структурой.

Гидравлические вяжущие вещества, представляющие собой гидраты с аморфной или нестабильной кристаллической структурой, обладают способностью конденсироваться в камнеподобное водостойкое тело. Эти вещества названы вяжущими контактно-конденсационного твердения. Разновидностью его является гидратированный бокситовый шлам.

Дисперсные частицы шлама частично гидратируются по поверхности при выщелачивании глинозема и в процессе гидравлического удаления шлама, в связи, с чем постепенно теряют свойства вяжущих. Углубление гидратации происходит при мокром помоле шлама. Далее при контакте с водой, обычной и повышенной температуры в бассейнах - гидраторах, пропарочных камерах или автоклавах – реакторах достигается полная или максимально возможная для данных условий гидратация частиц. Таким образом, вяжущее контактного твердения из бокситового шлама представляет собой порошкообразное вещество, получаемое путем мокрого помола шлама, его гидратации в дисперсном состоянии при нормальных или повышенных температурах и последующего удаления физической воды. Помимо степени гидратации исходного шлама на свойства вяжущего оказывают влияние такие технологические факторы безобжиговой переработки шлама, как условия и температура его гидратации, влажность пресс – порошка при прессовании, степень сближения частиц, то есть давление прессования. Установлено, что прочность камня после прессования возрастает практически пропорционально увеличению прилагаемого давления, например, с 10 МПа (при давлении 30 МПа/см²) до 30 МПа (при нагрузке 100 МПа/см²). С достижением максимальной степени предварительной гидратации бокситового шлама уменьшается и величина максимального давления прессования, сразу после снятия которого полученный камень обладает водостойкостью. Так, камень из полностью гидратированного в дисперсном состоянии шлама становится водостойким сразу после прессования при давлении 2 МПа, а из гидратированного по поверхности при 18 МПа. Регулируя влажность пресс-порошка можно почти в 2 раза увеличивать прочность материала сразу после прессования. Для каждого усилия прессования и дисперсности существует своя оптимальная влажность, которая находится в пределах от 8 до 18%. Интенсивность набора прочности зависит от условий последующего хранения материала и технологических параметров получения водостойкого камня при прессовании.

Введения в состав бокситового шлама различных модифицирующих добавок и безобжиговой переработки полученной смеси можно получить вяжущее, обладающее способностью к контактному и к гидратационному твердению. Наиболее эффективна эта технология при производстве мелкоштучных строительных изделий. Себестоимость их будет невысокой (примерно в пределах 30-40 тенге за изделие), причем изделия будут иметь прочность после формования 6-13 МПа, водонепроницаемость – не менее 20, морозостойкость – не менее 35 циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Особое значение приобретает возможность использование бокситового шлама в дорожном строительстве. Научные разработки ученых НИИсоюздор и Института, показали возможность и экономическую целесообразность применения вяжущих из бокситового шлама глиноземного производства для устройства укрепленных оснований дорожных одежд.

На ферросплавном заводе, образуется отхода производства конденсированный микрокремнезем (кремнеземистая пыль). Этот продукт имеет насыпную плотность около 180-250 кг/м³, удельную поверхность частиц 18000 - 25000 см²/г, а по минералогическому составу почти на 85 % представлен аморфным кремнеземом, что и обусловливает его уникальные свойства. При введении микрокремнезема в состав бетонной смеси можно достичь повышения марочной прочности бетона на 85 - 110 %, резкого улучшения деформативных характеристик и долговечности. Так например, в Норвегии, США и других странах порошкообразный кремнезем используют для получения особо высокопрочных бетонов классов по прочности при сжатии В100-В150, которые применяют при возведении опор нефтяных платформ, работающих при низких температурах.

Результаты исследований по использованию отходов ферросплавного производства, проведенные в свое время учеными НИИЖБ Госстроя СССР, показали, что они представляют собой богатейшее сырье для получения эффективных пористых заполнителей, как шлаковая пемза и гранулированный шлак. Производство шлаковой пемзы ее не требует значительных капитальных вложений, потому себестоимость существенно ниже, чем у других искусственных пористых заполнителей.

Применение шлаковой пемзы в качестве эффективного крупного и мелкого заполнителя при изготовлении теплозвукоизоляционных материалов и конструктивного бетона уменьшает массу ограждающих конструкций зданий (по сравнению с кирпичными) на 13-15 %, расход цемента – на 15-20 % и значительно улучшает теплоизоляционные свойства конструкций. Многолетний опыт использования шлаковой пемзы доказал эффективность этого пористого заполнителя - его низкую стоимость, теплопроводность и другие свойства. Это возможно за счет исключения расходов на проведение геологоразведочных работ, организацию и эксплуатацию карьеров по разработке и добыче сырьевых материалов для производства керамзита, и что особенно важно в настоящее время, существенного снижения производственных энергетических затрат и практически полного отказа от затрат на топливо.

Низкая энергоемкость, себестоимость и трудоемкость производства шлаковой пемзы выводят ее на первое место среди искусственных пористых заполнителей по эффективности использования в легких бетона для конструкций зданий, строящихся в промышленных регионах нашей республики. Особенно эффективен этот вид заполнителя в конструкционно-теплоизоляционных легких бетонах для стенового ограждения. Так, экономический эффект при замене керамзита шлаковой пемзой при изготовлении стеновых панелей в зависимости от региона строительства составляет примерно 25-45 $ на 1 м³. Обусловлен он не только разницей в энергоемкости производства, но и в снижении затрат на отопление зданий, определяемом улучшенными теплотехническими свойствами шлаковой пемзы.

Проведенные научные исследования в области конструкционного шлакопемзобетона выявили возможность и целесообразность замены им тяжелого бетона в несущих конструкциях зданий. Конструкционный шлакопемзобетон обладает рядом преимуществ, выгодно отличающих его от других видов бетона. Например, модуль упругости конструкционного шлакопемзобетона на кварцевом песке выше регламентируемого СНиПом показателя для бетонов на пористых заполнителях на 30 % и близок к аналогичному показателю для тяжелого бетона. Прочность на осевое растяжение соответственно выше на 10-15 %, уровни границ области микротрещинообразования превышают значения аналогичных показателей не только тяжелого бетона, но и других видов легкого бетона на 10-30 %. Ползучесть конструкционного шлакопемзобетона классов по прочности на сжатие В25-В30 при использовании модифицирующих добавок и регулировании фактора В_ист/Ц может быть вполне сопоставима с ползучестью равноконсистентного и равнопрочного тяжелого бетона.

Ферросплавные шлаки могут быть с успехом использованы в качестве компонента шлакощелочных вяжущих. Учитывая достаточно устойчивую тенденцию удорожания цемента с одновременным падением его качества проблема освоения производства различных видов шлакощелочных бетонов без сомнения должна вызвать интерес потенциальных производителей и инвесторов. Как известно эти бетоны, не содержащие ни грамма цемента, могут иметь очень высокие конструкционные (прочностные и деформативные) и эксплуатационные (водонепроницаемость, стойкость к действию агрессивных сред и низких температур и т.д.) характеристики, позволяющие применять их в конструкциях как общестроительного, так и специального назначения. Из вышеизложенного следует, что себестоимость шлакощелочных вяжущих в среднем на 30 %, удельный расход топлива – на 63 %, а удельные капитальные вложения на 1 т – в 2,5 - 3,5 раза ниже по сравнению со шлакопортландцементами аналогичных марок.

Таким образом, можно сделать вывод, что для относительно быстрого и успешного возрождения промышленности строительных материалов Павлодарского региона имеются не только экономические (сырье, энергоресурсы, кадровое обеспечение и т.д.), но и научно-технические предпосылки, открывающие перспективу освоения новых эффективных технологий производства широкой номенклатуры современных материалов, изделий и конструкций. В то же время эффективное использование отходов дает возможность получить позитивный результат, а именно: использование отходов в качестве сырьевых материалов в местах образования отходов или вблизи их, сокращает транспортные издержки по их доставке на переработку, увеличивает сырьевую базу промышленности, высвобождает площади отвалов. Кроме того, производство продукции на основе использования твердых отходов позволяет полнее удовлетворить потребности народного хозяйства в промышленной продукции, реализация которой увеличивает национальный доход.

Литература:

1. Торпищев Ш. К., Кудрышова Б. Ч. и др. Сырьевая смесь для изготовления шлакощелочного бетона. Бюл. №2 Комитета по правам интеллектуальной собственности Министерства юстиции Республики Казахстан. Описание изобретения к инновационному патенту № 22275. - Астана, 2010. – С. 1-4.

2. Станевич В. Т., Кудрышова Б. Ч. Образование и пути возможного использования промышленных отходов Павлодарской области. Актуальные проблемы науки: сб. науч. тр. по материалам Междунар. Науч.-практ. конф. 27 сентября 2011 г.: в 6 частях. Часть 1; М-во обр.и науки РФ. Томбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2011. С.119-120.