CC BY
0DOI 10.53980/24131997_2022_2_87
Е.Г. Щукина, канд. техн. наук, доц., e-mail: elenshcukina@list.ru
Е.А. Щукин, магистр
Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ УДК 691.32
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЗОБЖИГОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ
В статье приведены результаты исследований получения строительных безобжиговых материалов с использованием хризотилцементных и золошлаковых отходов Республики Бурятия.
Установлены оптимальные технологические параметры: при увеличении давления прессования сырьевых смесей повышаются механические и гидрофизические свойства изделий, составы из отходов без добавления вяжущего позволяют получить марку кирпича М100.
Разработана энергоэффективная технология производства стеновых и дорожных материалов на основе хризотилцементных и золошлаковых отходов Республики Бурятия методом гиперпрессования. Использование техногенного сырья снижает себестоимость изделий на 25-35 % по сравнению с традиционными изделиями.
Ключевые слова: хризотилцементные отходы, золошлаковые отходы, портландцемент, гиперпрессование, безобжиговый кирпич, тротуарная плитка.
E.G. Shchukina, Cand. Science, Engineering, Assoc. Prof E.A. Shchukin, Master's student
RESOURCE-SAVING TECHNOLOGY USING MAN-MADE MATERIALS
The article presents the results of studies on the production of building non-fired materials using chrysotile cement and ash and slag waste from the Republic of Buryatia.
It is shown that with an increase in the pressing pressure of raw mixtures, the mechanical and hydro-physical properties of the samples increase.
An energy-efficient technology has been developed for the production of wall and road materials based on chrysotile cement and ash and slag wastes from the Republic of Buryatia by hyperpressing. At the same time, the cost of products is reduced by 25 - 35% compared to traditional products.
Key words: chrysotile cement waste, ash and slag waste, Portland cement, hyperpressing, non-fired bricks, paving slabs.
Введение
Развитие индивидуального жилищного строительства позволяет вовлекать в производство безобжиговые материалы и изделия на основе местного сырья и промышленных отходов. Последние отличаются меньшими энергетическими затратами на их производство, высокой скоростью набора прочности в естественных условиях, высокими декоративными свойствами. Известен опыт использования различных отходов промышленности для производства безобжиговых изделий [1].
Существенный экономический и экологический эффект дает использование отходов асбестоцементного производства, так называемого асбестита и отходов измельченного шифера, который образуется в результате капитального ремонта крыш [2].
На 2022 г. Фондом капитального ремонта в г. Улан-Удэ запланировано заменить 150 тыс. м2 асбестоцементных листов с крыш многоквартирных домов. Ранее асбестоцемент-ные листы, бывшие в употреблении, вывозились на полигоны и не использовались в качестве вторичного сырья.
Целью работы является разработка технологии получения строительных материалов на основе хризотилцементных и золошлаковых отходов [3]. В России и других странах внедряются в производство мини-заводы по производству безобжиговых изделий различного назначения. Строительство таких мини-заводов не требует больших капитальных затрат и отличается небольшими сроками окупаемости [4].
Технология традиционных стеновых материалов отличается высокой стоимостью из-за затрат на тепловую обработку. Мы предлагаем использовать альтернативную безобжиговую технологию для изготовления изделий на основе местного природного и вторичного сырья с использованием высоких давлений прессования и вибропрессования на основе хризотилце-ментных и золошлаковых отходов, которые находятся в хранилищах и отвалах [5].
Объем выпуска керамического кирпича в Республике Бурятия в 2020 г. составил 36,6 млн. шт. усл. кирпича, при этом ни один завод в республике не производит облицовочный кирпич, а потребность в нем восполняется за счет привозного кирпича других регионов городов Красноярска и Иркутска - керамического кирпича, из г. Читы - силикатного кирпича, а также из Китая.
Материалы и методы исследования
Были разработаны и исследованы составы для получения мелкоштучных строительных материалов, таких как стеновые, кровельные и дорожные материалы, на основе хризотилцементных заводских отходов (ХЦОЗ) - ООО «Тимлюйский завод», хризотилцементных отходов - измельченного шифера (ХЦО) и золошлаковых отходов (ЗШО) Улан-Удэнской ТЭЦ 1 [6]. В таблицах 1 и 2 приведены химические составы отходов.
Таблица 1 - Химический состав золошлаковых отходов ТЭЦ 1, масс., %
Материал/оксиды SiO2 Al2 O3 CaO Fe2O3 MgO R2O FeO SO3 ппп
Золошлаковые отходы 61,88 20,11 4,6 4,16 2,26 1,00 2,0 0,59 3,40
Насыпная плотность ЗШО составила 620 кг/м3, истинная плотность - 2,37 г/ см3 , удельная поверхность - 100-150 м2/кг.
Таблица 2 - Химический состав хризотилцементных отходов
Вид хризотилцементных отходов Содержание оксидов, масс., %
SiO2 Fe2O3 Al2Os CaO CaOсв MgO SO3 RO2 ппп
Заводские отходы ХЦОЗ 20,0 4,2 3,9 49 5,6 6,2 1,3 0,6 15,6
Измельченный шифер (ХЦО) 20,1 4,2 4,1 50,1 5,5 6,2 1,3 0,5 14,8
Насыпная плотность ХЦО составила 950 г/м3. В составе хризотилцементных отходов присутствует около 50 % окиси кальция, что свидетельствует об основности отходов и о том, что в них присутствуют непрогидратированные частицы цемента [7].
В качестве вяжущего использовался портландцемент класса В32,5 (М400) Тимлюй-ского цементного завода.
Результаты исследований и их обсуждение
Поскольку для безобжиговых стеновых материалов нормативные документы отсутствуют, подбирались составы, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 379-2015 «Кирпич, камни, блоки и плиты перегородочные силикатные. Общие технические условия».
Варьировалось давление прессования с 20 до 40 МПа с целью определения оптимального значения на ХЦОЗ и ХЦО (табл. 3).
Таблица 3 - Влияние давления прессования бесцементных образцов с использованием ХЦО и ХЦОЗ на физико-механические свойства
№ п/п Состав образцов Давление прессования, МПа Водотвердое отношение Средняя плотность, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа после 28 сут твердения
1 (ХЦОЗ+ХЦО), 1:1 20 0,20 1680 9,4
2 (ХЦОЗ+ХЦО), 1:1 30 0,20 1710 10,5
3 (ХЦОЗ+ХЦО), 1:1 40 0,21 1860 14,5
4 ХЦО 20 0,11 1746 9,7
5 ХЦО 30 0,11 1776 13,6
6 ХЦО 40 0,11 1830 14,2
Для первых трех составов с увеличением давления прессования от 20 до 40 МПа, прочность при сжатии повысилась от 9,4 до 14,5 МПа, т. е. на 60 %, а средняя плотность - с 1680 до 1860 кг/м3, марка кирпича М100 достигнута при давлении прессования 30 МПа на составе из смеси хризотилцементных отходов без добавления цемента.
При использовании хризотилцементного отхода без добавления портландцемента прочность повысилась с 9,7 до 14,2 МПа при увеличении давления прессования от 20 до 40 МПа и на 22 % при давлении прессования 30 МПа по сравнению с составом из смеси отходов, т. е. измельченный шифер без использования заводского отхода показал более высокий результат и при давлении 30 МПа получена марка кирпича М125. Разработанные составы можно рекомендовать и для получения кровельной черепицы.
Хризотилцементные заводские отходы и измельченный шифер даже без предварительной обработки показывают свойства неорганического вяжущего, т. е. при затворении водой способны затвердевать, а при прессовании в тонкоизмельченном виде эффект усиливается, так как давление прессования влияет на кинетику физико-химических процессов. Под его влиянием высвобождается избыточная поверхностная энергия, которая способствует более сильному взаимодействию частиц и значительному ускорению формирования структуры материала. Наиболее оптимальным способом активации отходов является помол в мельнице, помол производился до удельной поверхности 2000 см2/г, что обеспечило образование новых поверхностей на цементных зернах, способных к гидратации, а также увеличилась удельная поверхность хризотиловых волокон. В результате адсорбции гидроокиси кальция хризотилом, в безобжиговом кирпиче хризотиловые частицы являются центрами кристаллизации гидратных новообразований, что приводит к росту прочности кирпича.
Далее в состав вводилась золошлаковая смесь Улан-Удэнской ТЭЦ-1 с хризотилце-ментными отходами и добавлением 15 % портландцемента класса В32,5 (табл. 4).
Результаты экспериментов показали, что состав с использованием ХЦО и ЗШО в соотношении 1:1 показал самую высокую прочность при сжатии 32,2 МПа, при давлении прессования 30 МПа, что соответствует марке М300, и при этом водостойкость составила 0,85, водо-поглощение по массе - 6 %. Повышение прочности произошло в результате взаимодействия гидроксида кальция с оксидами кремния и алюминия и протекания реакции пуццоланизации,
повышение давления прессования до 40 МПа снизило прочность при сжатии, поэтому оптимальным давлением при использовании ЗШО является 30 МПа [8, 9].
Таблица 4 - Физико-механические свойства безобжиговых изделий с использованием ЗШО ТЭЦ-1, смеси ХЦО и ХЦОЗ и ХЦО при расходе портландцемента 15 %
№ п/п Наименование образца Давление Водотвердое отношение Средняя Прочность при сжатии,
и соотношение компонентов прессования, МПа плотность, кг/м3 МПа, после 28 сут
твердения
1 ПЦ+(ЗШО:ХЦО), 1,5:1 20 0,14 1584 20,7
2 ПЦ+ЗШО (ХЦО+ХЦОЗ), 1:1 20 0,15 1666 22,0
3 ПЦ+ЗШО (ХЦО), 1:1 30 0,23 1650 32,2
4 ПЦ+ЗШО (ХЦО), 1,5:1 30 0,13 1805 29,4
5 ПЦ+ЗШО (ХЦО+ХЦОЗ), 1:1 30 0,15 1732 27,7
6 ПЦ+ЗШО (ХЦО), 1:1 40 0,12 1635 27,6
7 ПЦ+ЗШО (ХЦО+ХЦОЗ), 1,5:1 40 0,08 1719 28,9
Далее подбирались составы с заменой ЗШО на кварцполевошпатовый песок и добавлением 15 % цемента к хризотилцементным отходам в соотношении 1:1. При этом получены прочности при сжатии 31,9-34,2 МПа (табл. 5), что также подтверждает получение марки безобжигового изделия М300.
Таблица 5 - Физико-механические свойства безобжиговых изделий с использованием ХЦО в смеси с песком при расходе цемента 15 %
№ п/п Наименование образцов и соотношение компонентов Давление прессования, МПа Водотвердое отношение Средняя плотность, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа после 28 сут твердения
1 ПЦ+(песок: ХЦО) 1:1 20 0,15 2080 25,2
2 ПЦ+песок: (ХЦО+ХЦОЗ) 1:1 20 0,15 1966 24,0
3 ПЦ+песок: (ХЦО+ХЦОЗ) 1:1 30 0,18 1984 28,2
4 ПЦ+(песок: ХЦО) 1:1 30 0,15 2210 33,3
5 ПЦ+песок: (ХЦО+ХЦОЗ) 1:1 40 0,15 1990 31,9
6 ПЦ+(песок: ХЦО) 1:1 40 0,10 2042 34,2
Анализ результатов, представленных в таблице 5, показал, что составы с использованием ХЦО с заводскими отходами в смеси с песком имеют прочность при сжатии образцов в среднем на 10 % ниже, чем образцы на основе ХЦО с песком при всех давлениях прессования. При этом получены прочности при сжатии от 24,0 до 34,2 МПа, т. е. для составов ХЦО с песком оптимальным давлением является давление прессования 30 МПа, и составы № 4, 5 и 6 можно рекомендовать для изготовления тротуарной плитки и бордюрного камня.
Кроме того, получен облицовочный кирпич М125-М150 с использованием хризотилце-ментных отходов, с добавлением синей лазури и молотого керамического кирпича в качестве пигментов в количестве 2-4 % без добавления цемента [10].
По результатам исследований была разработана технологическая схема производства стеновых, кровельных и дорожных изделий с использованием отходов строительного и теплоэнергетического комплекса.
Выводы
Результаты экспериментов показали, что малоэнергоемкая технология с использованием хризотилцементных и золошлаковых отходов позволяет получить безобжиговые изделия различного назначения: кирпич рядовой и облицовочный марок М100-М125 без вяжущего, (как самого дорогостоящего компонента) при оптимальном давлении прессования 30 МПа, кровельную черепицу с пигментами и без них, а также мелкоштучные изделия дорожного назначения.
Стеновые материалы могут быть использованы для строительства в сейсмических районах, кровельная прессованная черепица для устройства покрытий зданий, а разработанные составы класса В22,5 на хризотилцементных отходах в смеси с золошлаковыми отходами и в составе с песком при расходе цемента 15 % - для изготовления мелкоштучных дорожных материалов.
Таким образом, экспериментально подтверждена эффективность технологии гиперпрессования при производстве строительных материалов с использованием хризотилцемент-ных и золошлаковых отходов с целью организации мобильных энергосберегающих производств.
Библиография
1. ЗельдинаМ.Б. Утилизация мокрых отходов асбестоцементного производства // Использование отходов цементной и асбестоцементной промышленности // Науч.-техн. реферативный сб. ВНИИ-ЭСМ. - М., 1983. - Вып. 5. - С. 28-33.
2. Клейфельд Ф.С. Использование асбестоцементных отходов для производства огнеупорных и легких заполнителей // Использование отходов, попутных продуктов в производстве строительных материалов и изделий. Охрана окружающей среды // Науч.-техн. реферативный сб. ВНИНИТИ и ЭСПМ. - М., 1989. - Вып. 11. - С. 18-23.
3. Багаутдинов A.A. Стеновые строительные изделия на основе отходов асбестоцементного производства: дис. ... канд. техн. наук. - М.: Изд-во МГСУ, 1994. -С. 88-92.
4. Щукина Е.Г., Цыремпилов А.Д. Получение безобжигового кирпича с использованием отходов промышленности // Строительные материалы, 2000. - № 4. - С. 22-24.
5. Щукин Е.А., Щукина Е.Г. Асбестоцементные отходы как сырье для производства строительных материалов // Сб. докл. ХУШ конф. по фундаментным и прикладным проблемам физики.
- Улан-Удэ: Изд-во Бурят. научн. центра СОРАН, 2021. - С. 34-39.
6. Подгородецкий Г.С., Горбунов В.Б., Агапов Е.А и др. Проблемы и перспективы утилизации золошлаковых отходов ТЭЦ. Ч. 1 // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2018.
- Т. 61, № 6. - С. 439-446. - DOI: 10.17073/0368-0797-2018-6-439-446.
7. Березовой В.Ф. Получение облицовочных плиток из асбестоцементных отходов методом сухого прессования // Производство и применение асбестоцемента: межвуз. сб. науч. ст. - Калинин, 1975.
- Вып. 1. - С. 104-107.
8. Энтин З.Б., Нефедова Л.С., Стржалковская Н.В. Золы ТЭС - сырье для цемента и бетона // Цемент и его применение. - 2012. - № 2. - С. 40-46.
9. Азанов Б.К. Рекомендации по использованию промышленных отходов в дорожном строительстве // Металлург. - 2014. - № 2. - С. 44-47.
10. АдееваЛ.Н., БорбатВ.Ф. Зола ТЭЦ - перспективное сырье для промышленности // Вестник Омского университета. - 2009. - № 2. - С. 141-151.
Bibliography
1. ZeldinaM.B. Disposai of wet waste from asbestos cement production // Use of cement and asbestos cement industry waste. Scientific and technical abstract collection of VNIIEM. - M., 1983. - Issue 5. -P. 28-33.
2. Kleifeld F.S. The use of asbestos cement waste for the production of refractory and light fillers // The use of waste, by-products in the production of building materials and products. Environmental protection. Scientific and technical abstract collection of VNITI and ESPM. - M., 1989. - Issue 11. - P. 18-23.
3. Bagautdinov A.A. Wall construction products based on asbestos cement production waste: Diss. Candidate of Technical Sciences. - M.: MGSU, 1994. - P. 88-92.
4. ShchukinaE.G., TsyrempilovA.D. Production of fire-free bricks using industrial waste // Cthreative materials, 2000. - N 4. - P. 22-24.
5. Shchukin E.A., Shchukina E.G. Asbestos cement waste as raw materials for the production of building materials // Sat. dokl. KHUSH conferences on fundamental and applied problems of physics. - Ulan-Ude: From.Buryat. scientific Center of SB RAS, 2021. - P. 34-39.
6. Podgorodetsky G.S., Gorbunov V.B., Agapov E.A. et al. Problems and prospects of utilization of ash and slag waste of CHP. Part 1 // Izvestia of higher educational institutions. Ferrous metallurgy. - 2018. -Vol. 61, N 6. - P. 439-446. DOI: 10.17073/0368-0797-2018-6-439-446.
7. Berezovoy V.F. Obtaining facing tiles from asbestos cement waste by dry pressing // Production and application of asbestos cement: Intercollegiate collection of scientific articles. - Kalinin, 1975. - Issue 1. -P.104-107.
8. Entin Z.B., Nefedova L.S., Strzhalkovskaya N.V. TPP ashes - raw materials for cement and concrete // Cement and its application. - 2012. - N 2. - P. 40-46.
9. Asanov B.K. Recommendations on the use of industrial waste in road construction // Metallurg. -2014. - N 2. - P. 44-47.
10. Adeeva L.N., Borbat V.F. TPP ash - promising raw materials for industry // Bulletin of Omsk University. - 2009. - N 2. - P. 141-151.
