Б.Р. Исакулов, А.С. Жив,

ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ АРБОЛИТА НА ОСНОВЕ СЕРОСОДЕРЖАЩИХ ВЯЖУЩИХ

Постановка задачи. Промышленные отходы, многие из которых токсичны, практически не утилизируются из-за отсутствия эффективных ресурсо-и природосберегающих способов их детоксикации и вторичного использования. В работе рассматриваются основы новых безотходных технологий обезвреживания и комплексного использования отходов нефтегазовой отрасли республики Казахстана в виде строительных материалов. Также рассматривается влияние технологических параметров на физико-механические свойства серосодержащего арболита.

Ключевые слова: отходы, бетон, серосодержащий aрболит, активация и детоксикация

Введение. В регионах Средней Азии и Казахстана количество твердых, жидких и сельскохозяйственных отходов сейчас превышает более 25 млрд.т, из которых более 10,5 млрд.т – это твердые и жидкие отходы горно-обогатительных, металлургических и нефтехимических отраслей промышленности и более 400 млн.т – золы и шлаки энергетических производств и отходы растительного происхождения. Одним из наиболее рациональных способов уменьшения отрицательного влияния многотоннажных отходов на окружающую среду является использование их в качестве сырья для строительных материалов и в частности, при производстве искусственных пористых заполнителей и вяжущих для бетонных изделий. Исходя из этого, проблема комплексной переработки твердых и жидких отходов превращается в приоритетное промышленное направление, эколого-технологические задачи которого становятся актуальными в социально-экономическом развитии государств Центральной Азии.

В работе рассматриваются основы новых безотходных технологий обезвреживания и комплексного использования отходов в производстве строительных материалов. Использован принцип взаимной нейтрализации токсичных компонентов используемых отходов путем их механохимической обработки при невысокой температуре.

Объектом исследования приняты промышленные отходы накопленных и продолжающихся накапливаться на действующих предприятиях в западного регионе Казахстана в виде шламов, сточных вод и твердых веществ.

- техническая (элементарная) сера, побочный продукт очистки нефти Жанажолского месторождения с чистой 99,06%, массовая для золы – 0,40%; массовая доля летучих органических веществ – 0,53%; массовая для влаги - 0,01%.

- пиритные огарки бывшего АО «Фосфорхим», состоящие главным образом из смеси оксидов железо (II, III) Fe3O4 (FO3 Fe2O3), с пересчетом на содержание железа 40 – 63%, и примесей серы 1-2%. Остальное оксиды цветных металлов.

В качестве теоретической предпосылки совмещенной механохимической активации и детоксикации промышленных отходов, в присутствии воды, с получением сырьевых смесей для производства арболитобетонов использован принцип взаимной нейтрализации химически вредных веществ, находящихся в промышленных отходах, например при окислительно-восстановительных реакциях, комплексообразовании, полимеризации, образовании нерастворимых соединений и других. В ряде случаев процессы детоксикации и активации приводят к улучшению эксплуатационных и качественных характеристик получаемых строительных материалов. В выбранных нами вышеперечисленных отходах, в качестве окислителей выступают хром шестивалентный и железо в степени окисления три (в виде Fe2O3), а восстановительными свойствами обладают элементарная сера, отсев бурых углей и железо в степени окисления два (FeO).

Трехвалентное железо способна окислять серу, переходя затем в двухвалентное железо. Сера, являясь многотоннажным отходом сероочистки нефтегазового сырья, является относительно недорогим продуктом , что расширяет возможности ее технологического применения в промышленном масштабе.

Выше приведенные доводы свидетельствует в пользу связывания серы с оксидами железа при механическом воздействий при температурах близких к нормальной. По нашему мнению, сырьевые смеси следует утилизировать, добавляя растительные отходы для получения легких арболитобетонов.

Мерсеризация целлюлозы заключается в обработке ее растворами щелочи, в результате чего она приобретает дополнительные (ОН)- грунты, что в свою очередь придает ей повышенную сорбционную способность к ионам многовалентных элементов (бору, хрому, магния, кальция и др.). Целлюлоза, имеющая в своем составе как эти вещества, так и, хлорид магния, приобретает повышенную прочность, огнестойкость и устойчивость к биокоррозии (гниению). Ионы указанных элементов настолько прочно связываются с целлюлозой древесины, что обратно из нее не извлекаются (не десорбируются).

При разработке арболита на основе отходов промышленности нами также изучалось влияние технологических параметров на его физико-механические характеристики при использовании в качестве компонента вяжущего сера отходов нефтегазового производства [1,3,4].

Испытания показали, что оптимальные условия для твердения серосодержащего арболита на вяжущем улученных путем механохимической активации и детоксикации (МХАД) с применением пиритного огарка создаются при пропаривании [2]. Прочность пропаренных изделий при этом в среднем в 2,3 раза выше, чем у образцов нормального твердения или образцов, твердевших при сушке. Существенно, что на пропаренных образцах в отличие от изделий, твердевших в нормальных условиях при сушке, практически не образуется высолов при длительном хранении.

В условиях нормального твердения арболит на серосодержащем вяжущем характеризуется замедленными темпами твердения, а при сушке происходит высыхание и коагуляция серного затворителя - сопровождающаяся прекращением процессов твердения, в результате чего прочность арболита уменьшается. Сразу после пропаривания изделия из арболита приобретают монтажную прочность (60—70% от марочной при влажности образцов в среднем около 30%). Дальнейшее выдерживание образцов в течение 3—7 суток необходимо для постепенного снижения влажности образцов до равновесной, при этом возрастает сцепление органического заполнителя с цементным камнем и увеличивается прочность изделий.

Таким образом, наилучшими показателями обладают образцы серосодержащего арболита, твердевшие при пропаривании и изготовленные из стебли тростника камыша, не подвергавшейся предварительному замачиванию в растворах минерализаторов.

При подборе оптимальных составов серосодержащего арболита исследовалось влияние на прочность от вида заполнителя, расхода наполнителей и добавок. Помимо серосодержащего вяжущего для сравнения использовались также образцы на портландцементе. Результаты опытных работ указаны в таблицах 1,2,3,4.

Таблица 1

Состав серусодержащей арболитовой смеси

Компоненты	В % по массе	Расход на 1 м^3, кг
Портландцемент Сера отходы Пиритный огарок Тростник камыша Хлорид кальция Хлорид бария Вода	35,9 3,6 7,2 20,5 0,50 1,6 30,7	350 35 70 200 5,0 16 300

Таблица 2

Физико-химические свойства серусодержащего арболита

Наименование Свойств	Единица измерения	Показатели свойств блоков изготовленных в условиях
		Лаборатор.(28)	П/ промыш.(28)
Плотность Прочность при сжатии Теплопроводность Водопоглощение	Кг/м МПа Вт/мºС %	620 3,9 0,12 49	600 3,4 0,115 53

Таблица 3

Состав арболитовой смеси на портландцементе

Компоненты	В % по массе	Расход на 1 м^3, кг
Портландцемент Рисовая солома Зола - унос Хлорид кальция Хлорид бария Вода	35,9 20,5 10,8 0,50 1,59 30,7	390 200 105 5,0 16 300

Таблица 4

Физико-химические свойства арболита на портландцементе

Наименование Свойств	Единица измерения	Показатели свойств блоков изготовленных в условиях
		Лаборатор.(28)	П/ промыш.(28)
Плотность Прочность при сжатии Теплопроводность Водопоглощение	Кг/м МПа Вт/мºС %	620 3,7 0,12 49	600 3,2 0,115 53

Результаты испытаний показали, что оптимальным заполнителем для арболита на серосодержащем вяжущем является измельченные отходы тростника камыша. При этом достигается минимальный расход серосодержащего затворителя, при сопоставимых средних плотностях арболит на измельченном тростнике камыша обладает наибольшей прочностью. С увеличением расхода серосодержащих наполнителей до 33% от массы вяжущего, прочность и средняя плотность арболита увеличиваются. При одинаковом расходе наполнителей и портландцемента на 1м³ смеси прочность серосодержащего арболита существенно выше.

Эффективным методом повышения прочности серосодержащего арболита в условиях нормального твердения является введение в состав вяжущего добавки в виде пиритного огарка и серы улученной МХАД способом, которое осуществляется при совместном мокром помоле. Прочность образцов нормального твердения с добавкой в возрасте 28 суток близка к прочности пропаренных образцов.

Для изучения влияния фактора времени на прочность серосодержащего арболита проводились испытания прочности образцов различного состава, хранившихся в воздушно-сухих условиях.

Испытания показали (рис.), что для пропаренных образцов серосодержащего арболита характерно интенсивное нарастание прочности в первые 7—10 суток после пропаривания, что, очевидно, в первую очередь связано с удалением избыточной сверх равновесной влажности воды из образцов и увеличением жесткости растительного заполнителя, а также сцепления заполнителя с камнем вяжущего. При дальнейшем выдерживании образцов (до 150 сут.) прочность образцов стабилизируется и имеет тенденцию к возрастанию, что можно объяснить увеличением прочности камня вяжущего, визуальный осмотр образцов с поверхности и на изломе не подтвердил признаков деструкции растительного заполнителя в серной среде. Длительное время сохраняется прочный и плотный контакт камня вяжущего и растительного заполнителя. Для образцов серосодержащего арболита нормального твердения характерно постепенное нарастание прочности в течение первого месяца твердения с дальнейшей стабилизацией этого показателя во времени. В общем, прочность образцов нормального твердении существенно ниже, чем у пропаренных образцов, и с течением времени этот разрыв в прочности сохраняется.

----------♦---------пропаренный серосодержащий арболит

----------■--------серосодержащий арболит нормального твердения

---------▲--------пропаренный портландцементный арболит

----------x---------портландцементный арболит нормального твердения

Рис. Нарастание прочности серосодержащего и портландцементного арболита во времени

Для образцов арболита на портландцементе наблюдается сброс прочности после 150 суток хранения, что можно объяснить воздействием водоэкстрактивных веществ растительного заполнителя на портландцементный камень. Длительные наблюдения свидетельствуют о стабильности прочностных показателей серосодержащего арболита и его надежности как теплоизоляционного - конструкционного материала.

Выводы

1. Впервые, с помощью системного анализа, методологически обоснован
и на большом экспериментальном материале подтвержден, принцип
целесообразности регионального комплексного использования промышленных и сельскохозяйственных отходов Казахстана и Средней Азии;
2. Первые, термодинамическим и экспериментальными методами,
показана возможность взаимной механо-химической, окислительно-восстановительной детоксикациии хромсодержающих отходов совместно с
другими твердыми промышленными отходами: технической серой,
пиритными огарками и отсевами мелких фракций бурого угля;

3. Нами установлено, что эффективным методом повышения прочности серосодержащего арболита в условиях нормального твердения является введение в состав вяжущего добавки в виде пиритного огарка и серы улученной МХАД способом, которое осуществляется при совместном мокром помоле.

4. Приведенные выше результаты показывают, что их можно использовать для изготовления блоков наружных стен и перегородок промышленных, жилых и сельскохозяйственных зданий.

Библиографический список

1. Орловский Ю.И. Полимерсерные бетоны//Применение серы и серосодержащих отходов в строительной индустрии. Тез. Доклады 1 Всес. Конф. - Львов, 1990-с. 3-5.

2. Онина М.М. Новый способ активации вяжущего // Бетон и железобетон. 1993. №4.

3. Наназашвили И.Х. Структурообразование древесно-цементных композитов на основе ВНВ/ Бетон и железобетон. №12. М., 1991. С. 15-17.

4. Заурбеков Ш.Ш., Муртазаев А.Ю., Успанова А.С., Сайдумов М.С. Использование золошлаковых отходов ТЭЦ г. Грозного для получения строительных композитов. - Экология и промышленность России, январь 2011г.