CC BY
59
Исследование возможности применения гидролизного лигнина в производстве стеновых блоков для малоэтажного строительства
К.А. Волосатова Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Аннотация: Рассмотрены свойства и основные характеристики крупнотоннажного отхода промышленности - гидролизного лигнина, а также направления его рационального использования. Приведены результаты эксперимента по изучению влияния лигнина Косьвинского гидролизного завода на основные свойства цементно-песчаной композиции. Показано, что добавление гидролизного лигнина в количестве 15-20% по массе взамен вяжущего позволит получить строительный материал с маркой по средней плотности Б1900-Б2000 и классом по прочности при сжатии В5-В7,5.
Ключевые слова: гидролизный лигнин, отход, малоэтажное строительство, стеновой материал, вторичное сырье, утилизация
Развитие горнодобывающей, химической, металлургической и других отраслей промышленности привело к глобальному техногенному вмешательству человека и техники в природную среду и накоплению на земной поверхности огромного количества отходов производства [1-3].
Не является исключением и растущая быстрыми темпами гидролизная промышленность, которая изготавливает ряд ценных продуктов из непищевого сырья. Для данной промышленности характерным является выделение большого количества отходов, в частности, гидролизного лигнина, которые преобладают над полезной продукцией.
В настоящее время на территории Пермского края определены несколько объектов накопленного экологического ущерба, к числу которых относится отвал гидролизного лигнина в г. Губаха, пос. Широковский [4]. За годы работы Косьвинского гидролизного завода на значительных площадях накопились отходы в виде агломераций фракции от 5 до 40 мм, которые включены в федеральный реестр объектов накопленного экологического ущерба. Отвал лигнина расположен на северо-востоке Пермского края и занимает площадь 97447 м2; высота отвала достигает 30 метров (рис. 1).
Рис. 1. - Отвалы гидролизного лигнина а) вид со спутника на отвалы гидролизного лигнина в пос. Широковский; б) тление
отвалов гидролизного лигнина Известно, что отходы гидролизного лигнина можно рассматривать как ценный продукт для вторичного применения и переработки в качестве аналогов первичного сырья [5]. Например, в строительстве классифицированный лигнин применяется при производстве материалов и изделий с различными связующими: теплоизоляционных, кровельных, облицовочных материалов, кирпича, цемента, керамзита и т.д.
Рис. 2. - Статистика применения материалов для наружных стен в 2017 году С учетом результатов статистических данных (рис. 2) [6], администрацией Широковского поселения Губахинского района была
поставлена задача утилизировать отвалы гидролизного лигнина в максимальном объеме, и использовать их для получения стеновых материалов, необходимых для региона: аналога блоков из пенополистиролбетона и керамзитобетона.
В связи с этим, работа по изучению возможности использования гидролизного лигнина в качестве добавки в цементно-песчаные композиции при производстве стеновых блоков для малоэтажного строительства является актуальной.
Для проведения исследований использовался лигнин Косьвинского гидролизного завода, характеристики которого приведены в таблице №1.
Таблица №1
Характеристики гидролизного лигнина
Влажность, % 45-50
Содержание золы, % 6,49
Групповой состав, % Лигнин Трудногидролизуе мые полисахариды Легкогидролизуемые полисахариды Редуцирую щие вещества Вещества экстрагируем ые спиртово-бензольной смесью
67,03 30,28 1,3 3,56 8,66
Кислотность (в пересчете И2804), % 0,24
Содержание веществ гуминового комплекса, % от 5 до 19
Элементный состав лигнина, % Сг нг 0Г кг
55-58 5,5-6 0,6 35 1
Состав золы, % М2О3 Б102 СаО №20 К2О Mg0 ТЮ2
1 93,4 1,5 0,3 0,3 0,3 0,1
Водопоглащение по массе, % 65
Фракция, мм 6-8
В качестве вяжущего вещества, применяется общестроительный портландцемент ЦЕМ I 32,2Н производства АО «Горнозаводскцемент» со следующими характеристиками: тонкость помола 2900 см /г, нормальная густота 26%, сроки схватывания - начало 2 часа 30 минут, конец - 4 часа 20 минут, активность цемента 42,4 МПа.
В качестве заполнителя применялся песок Заюрчумского месторождения с модулем крупности 1,1, истинной плотностью 2,65 г/см , содержанием пылевидных и глинистых частиц 2,4%.
Для приготовления цементно-песчаного раствора с добавкой гидролизного лигнина изначально вручную готовилась сухая цементно-песчаная смесь. После чего в нее вводился гидролизный лигнин, затем добавлялась вода и производилось перемешивание до получения однородной растворной смеси.
Лигнин предварительно подготавливался следующим образом. Навеска очищалась от крупных включений и металла магнитной сепарацией, далее производилась сушка при температуре 105±5°С. После этого навеска измельчалась до фракции 6-8 мм, которую затем вводили в цементно-песчаную смесь.
Изготовление образцов из цементно-песчаной смеси с добавкой гидролизного лигнина производилось методом прессования. Для этого приготовленная смесь укладывалась в предварительно смазанные металлические формы с выжимным механизмом. Рабочее давление на образец составляло 2,5 МПа.
С целью получения зависимостей изменения характеристик образцов от содержания в них гидролизного лигнина (Х1) и водоцементного отношения (Х2) был спланирован и проведен двухфакторный эксперимент с центральным ортогональным планом, с изменением каждого фактора на трех уровнях. При этом количество вводимого гидролизного лигнина составляло
4, 12 и 20 % по массе взамен вяжущего (портландцемента), водоцементное отношение составляло 0,4, 0,5 и 0,6. В ходе эксперимента у образцов определялись следующие показатели качества (функции отклика): предел прочности при сжатии, средняя плотность и удобоукладываемость (жесткость по прибору Красного). План эксперимента в натуральных величинах и среднее значение функции отклика в каждой точке плана приведены в таблице №2.
Таблица №2
План эксперимента в кодированных и натуральных величинах и значения функции отклика в каждой точке плана
№ точки плана Факторы Функции отклика
в кодированных переменных в натуральных переменных Ясж, МПа Б, кг/м3 Ж, с
Х1 Х2 ГЛ, % В/Ц У1 У2 У3
1 -1 -1 4 0,4 21,9 2164 22
2 -1 0 4 0,5 15,4 2072 0
3 -1 +1 4 0,6 10,9 1988 0
4 0 -1 12 0,4 15,2 2095 36
5 0 0 12 0,5 11,3 2008 9
6 0 +1 12 0,6 8,4 1929 0
7 +1 -1 20 0,4 8,8 2026 56
8 +1 0 20 0,5 8 1945 31
9 +1 +1 20 0,6 4,62 1870 12
К1 0 0,4 23,8 2249 2
К2 0 0,5 18,6 2154 0
К3 0 0,6 14 2068 0
По полученным данным в программном комплексе БТАТКТГСА были построены графики функции отклика, представленные на рис. 3.
:
Рис. 3. - Зависимости изменения характеристик цементно-песчаного раствора с добавкой гидролизного лигнина а) предел прочности при сжатии, МПа; б) средняя плотность, кг/м3; в) жесткость смеси по прибору Красного, с Анализируя полученные результаты, необходимо отметить, что на изменение прочности образцов оказывает влияние как В/Ц, так и содержание в смеси гидролизного лигнина. При этом, с увеличением последнего с 4 до 20% прочность при сравнении с прочностью образца контрольного состава К1 снижается до 80%. Аналогичная картина наблюдается и для функции плотности: с увеличением содержания в смеси гидролизного лигнина плотность снижается до 17%. Как видно из рис. 3в, гидролизный лигнин также оказывает влияние на удобоукладываемость смеси: с увеличением расхода лигнина при В/Ц=0,4 жесткость смеси изменяется с 22 до 56 секунд.
Наследующем этапе исследования с помощью инструмента «Поиск решения» пакета Microsoft Excel решалась задача оптимизации состава, при этом целевой функцией была выбрана зависимость изменения прочности от содержания лигнина и В/Ц.
где Ясж - предел прочности при сжатии (МПа); Б - средняя плотность образцов (кг/м ); Ж - жесткость растворной смеси по прибору Красного (с); ГЛ - содержание в смеси гидролизного лигнина, %; ВЦ -водоцементное отношение.
В результате оптимизации системы уравнений (1) с учетом требований к стеновым блокам (по аналогии с керамзитобетонными блоками - марка по средней плотности не более Б2000, класс бетона по прочности при сжатии не менее В5) были получены составы с характеристиками, указанными в таблице 3.
Следует отметить, что за более предпочтительный был принят состав №2, характеризующейся большим пределом прочности при сжатии и маркой по средней плотности Б2000. При этом прогнозируемая жёсткость смеси для обоих составов составляет 20 секунд, что соответствует оптимальной жесткости при вибропрессовании [7, 8].
Таблица 3
Характеристики оптимальных составов цементно-песчаных смесей с добавкой гидролизного лигнина
Состав ГЛ, % В/Ц Ясж, МПа Б, кг/м3 Ж, с Примечание
1 15 0,48 10,4 2000 20
2 20 0,55 6,4 1903 20
Таким образом, в результате проведенного исследования было установлено, что добавление лигнина Косьвинского гидролизного завода к цементно-песчаному раствору приводит к снижению его прочностных
показателей и не обеспечивает в достаточной мере уменьшение показателей по плотности. Это может быть связано с высоким содержанием в составе лигнина полисахаридов, которые, как известно, оказывают разрушающее действие на цементную матрицу [9, 10].
Между тем, при условии обеспечения требуемой долговечности, добавка лигнина к цементно-песчаным растворам и производство на основе предложенного состава стеновых материалов будет способствовать утилизации крупнотоннажных отходов гидролизной промышленности и, в целом, улучшению экологической ситуации в Пермском крае.
Литература
1. Шегельман И.Р., Васильев А.С., Щукин П.О., Галактионов О.Н., Суханов Ю.В. Рециклинг отходов: актуальность возрастает// Инженерный вестник Дона. 2014. №3. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_31_Shegelman_Vas.pdf_2479.pdf.
2. Oriyomi M. Okeyinka, David A. Oloke, Jamal M. Khatib A review on recycled use of solid wastes in building materials// International Journal of Civil, Environmental, Structural, Construction and Architectural Engineering. 2015. Vol.9. No. 12. pp. 1578-1587.
3. Бесфамильная Е.В., Бандурина И.П. Совершенствование методов развития рециклинговых технологий утилизации промышленных и бытовых отходов // Инженерный вестник Дона. 2015. №2. ч.2. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_117_becfamilnaya.pdf_42b6654733.pdf.
4. Пугин К. Г. Промышленная экология. Утилизация крупнотоннажных отходов производства: учебное пособие / Пермь: Изд-во ПНИПУ. 2016. 95 с.
5. Конюхов В.Ю., Коновалов П.Н., Суслов К.В., Васильева К.С. Методы утилизации и основные направления применения лигнина // Молодежный вестник ИРГТУ. 2015. № 2. С. 20.
6. Ввод общей площади жилых домов по материалам стен в Российской Федерации (по состоянию на 28.03.2018 г.). URL: gks.ru/free_doc/new_site/business/stroit/stroi_sten.xls (дата обращения: 10.08.2018 г.).
7. Емельяненко Н.Г., Стоянов Ф.А., Метелев А.В., Бочарова Е.А. Оптимизация параметров режима работы вибропресса для формования бетонных изделий // Вюник приазовського державного техшчного ушверситету. Техшчт науки. 2011. №22. С. 212-216.
8. Максимов С.В., Кудряшова Р. А., Рябцев В.Ю. Применение суперпластификатора «Полипласт СП-3» в конструкционном керамзитобетоне // Вестник ульяновского государственного технического университета. 2010. №1(49). С. 63-65.
9. Peschard А., Govin А., Grosseau Р., Guilhot В., Guyonnet R. Effect of polysaccharides on the hydration of cement paste at early ages// Cement and Concrete Research. 2004. №34. pp. 2153 - 2158.
10. Акимова Н.В., Шепеленко Т.С., Саркисов Д.Ю., Саркисов Ю.С. Влияние продуктов сахарной коррозии цемента на кинетику структурообразования системы «цемент-вода» // Вестник томского государственного архитектурно-строительного университета. 2015. №6(53). С. 128-134
References
1. Shegel'man I.R., Vasil'ev A.S., Shchukin P.O., Galaktionov O.N., Suhanov YU.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014. №3. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_31_Shegelman_Vas.pdf_2479.pdf
2. Oriyomi M. Okeyinka, David A. Oloke, Jamal M. Khatib. International Journal of Civil, Environmental, Structural, Construction and Architectural Engineering. 2015. vol. 9. №12. pp. 1578-1587.
3. Besfamil'naya E.V., Bandurina I.P. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015.
ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_117_becfamilnaya.pdf_42b6654733.pdf.
4. Pugin K.G. Promyshlennaya ehkologiya. Utilizaciya krupnotonnazhnyh othodov proizvodstva: uchebnoe posobie [Industrial ecology. Utilization of large-tonnage production waste]. Perm': Izd-vo PNIPU, 2016. 95 p.
5. Konyuhov V.YU., Konovalov P.N., Suslov K.V., Vasil'eva K.S. Molodezhnyj vestnik IRGTU. 2015. № 2. pp. 20.
6. Vvod obshchej ploshchadi zhilyh domov po materialam sten v Rossijskoj Federacii (po sostoyaniyu na 28.03.2018 g.) [Entering the total area of apartment houses on wall materials in the Russian Federation (as of 28.03.2018)]. URL: gks.ru/free_doc/new_site/business/stroit/stroi_sten.xls.
7. Emel'yanenko N.G., Stoyanov F.A., Metelev A.V., Bocharova E.A. Visnik priazovs'kogo derzhavnogo tekhnichnogo universitetu. Tekhnichni nauki. 2011. №22. pp. 212-216.
8. Maksimov S.V., Kudryashova R.A., Ryabcev V.YU. Vestnik ul'yanovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2010. №1(49). pp.
9. Peschard A., Govin A., Grosseau R., Guilhot V., Guyonnet R. Cement and Concrete Research. 2004. №34. pp. 2153 - 2158.
10. Akimova N.V., SHepelenko T.S., Sarkisov D.YU, Sarkisov YU.S. Vestnik tomskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2015. №6(53). pp. 128-134.
№2.
ch.2.
URL:
63-65.
