CC BY
68
УДК 666.943; 666.946
ШЛАКОЩЕЛОЧНЫЕ ВЯЖУЩИЕ - ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ В
ПРИБАЙКАЛЬЕ
Л.А. Урханова, И.А. Дмитриев
В статье рассмотрены вопросы перспективы получения шлакощелочных вяжущих. Приведены результаты экспериментальных исследований составов отдельных отходов промышленности Прибайкалья. Показана возможность использования в качестве щелочного компонента для получения шлакощелочных вяжущих щелочесодержащих отходов промышленности.
Ключевые слова: шлакощелочные вяжущие, отходы промышленности.
SLAG ALKALINE ASTRINGENTS AND THEIR POSSIBILITIES TO BE USED IN
THE NEAR BAIKAL REGION
L.A. Urkhanova, I.A. Dmitriyev
Prospects of getting slag alkaline astringents are given consideration in the article. The results of experimental research on compositions of separate industrial wastes in the near Baikal region have been submitted. The possibility is proved to use alkali-containing industrial wastes as alkaline components to produce slag alkaline astringents.
Key words: slag alkaline astringents, industrial wastes.
Бетон остается и в XXI веке основным конструкционным материалом, объемы производства которого в мире составляют более 3-х млрд. кубометров в год. Основные объемы бетона производятся на основе портландцемента, мировое производство которого составляет более 1,5 млрд. т, а по прогнозным оценкам специалистов, среднегодовой рост потребления цемента в мире с 2008 по 2012 год составит 5-6 %. В Российской Федерации проектом долгосрочной стратегии развития производства строительных материалов и конструкций на период до 2020 г. предполагается к 2020 году увеличить производство портландцемента с 51 до 194 млн. т.
Долгое время не вызывала сомнений целесообразность растущего производства клинкерного цемента. Однако в последние десятилетия, огромные выбросы СО2, высокая материало- и энергоемкость конечного продукта вызвали необходимость поиска путей снижения объемов применения клинкера при производстве цементов, один из которых -увеличение производства композиционных портландцементов с минеральными добавками, другой - разработка и внедрение мало- и бесклинкерных альтернативных видов вяжущих [1].
По мнению довольно большого числа исследователей, такой альтернативой в перспективе могут стать вяжущие вещества щелочной активации, более известные в западной научно-технической литературе как геополимеры [2, 3].
Теоретическим обоснованием возможности получения и использования в строительстве бетонов на основе соединений щелочных металлов послужили сведения из геологии об условиях возникновения осадочных и метаморфических силикатных горных пород в вещественном составе основных породообразующих минералов. На основании геологических данных можно констатировать, что в земной коре широко представлены водные и безводные силикаты кальция, натрия и калия, а также натриево-кальциевые, калиево-кальциевые и натриево-калиево-кальциевые минеральные образования, стойкие к воздействию атмосферных агентов, в которых содержание щелочных окислов изменяется в широких пределах [4].
Под вяжущими щелочной активации (геополимерами) принято подразумевать вяжущие системы на основе тонкодисперсных аморфных или кристаллических алюмосиликатных материалов, затворяемых растворами щелочей или солей, имеющими щелочную реакцию (обычно растворами гидроксидов, силикатов или алюминатов натрия и калия).
Следует отметить ограниченное число публикаций, связанных как с разработкой реальных технологических переделов производства таких вяжущих, так и с экономической оценкой перспектив производства геополимеров. Не определена также ожидаемая оптимальная область применения таких вяжущих, вытекающая из характеристик их состава и свойств.
Начало работам в области вяжущих щелочной активации положил Пьюрдон в своем исследовании по влиянию растворов гидроксида натрия на техногенные алюмосиликатные материалы различного состава и морфологии [5]. Развитие этого направление в бывшем СССР было связано прежде всего с работами В.В. Глуховского, интенсивно проводимыми в 1960-е гг. [6]. Его усилиями были осуществлены серьезные попытки внедрения шлакощелочных вяжущих материалов в промышленность. Близкими по направлению исследованиями несколько позже стал заниматься Давидовиц во Франции [2]; он существенно развил представления в этой области - расширил число потенциальных практических применений, подвел научную основу, обобщающую различные виды вяжущих щелочной активации под единым термином - геополимеры. В настоящее время большой вклад в развитие шлакощелочных вяжущих в России вносит Н.Р. Рахимова [1]; в своей работе она провела большой анализ поведения геополимеров в присутствии различных минеральных добавок.
Шлакощелочные цементы получают из тонкоизмельченных гранулированных металлургических шлаков, к которым добавляются малогигроскопичный щелочной компонент и вода (или заранее приготовленный раствор одного из доступных соединений щелочных металлов). Важно только, чтобы создавалась щелочная среда.
Для производства таких цементов пригодны шлаки доменных, мартеновских, электротермофосфорных печей, а также шлаки цветной металлургии - лишь бы по составу это были силикатные и алюмосиликатные расплавы. Важно, что все это - не природное невозобновляемое сырье, а крупнотоннажные отходы существующих производств. Ежегодное производство одной только золы-уноса, вырабатываемой ТЭС и требующей утилизации в 2010 году, составила 800 млн. т (это всего в 2,5 раза меньше, чем сегодня в мире вырабатывается цемента). По данным, приведенным в работе [7], в РФ утилизируется не более 10 % производимой золы-уноса; в Западной Европе и США этот показатель в 3-4 раза выше, но и его нельзя считать удовлетворительным.
Изученный состав золы-уноса ТЭЦ-6, г. Братск, приведенный в табл. 1, свидетельствует о возможности использования ее в качестве шлакового компонента для шлакощелочных вяжущих. Кроме того, учитывая ее изначальную высокую удельную поверхность более 3 000 см2/г, исключается единственная энергоемкая операция при получении шлакощелочных вяжущих - помол гранулированных шлаков.
Таблица 1
Химический состав золы-уноса ТЭЦ-6, г.Братск
Содержание элементов в Нормативный документ на Величина, %
расчете на оксиды метод испытания
П.п.п. ГОСТ 11022-95 Не более 5
SiO2 ГОСТ 10538-87 45,1-52,7
ТЮ2 ГОСТ 10538-87 0,3-0,4
АЬОз ГОСТ 10538-87 6,5-11,4
Окончание табл. 1
Fe2Oз ГОСТ 10538-87 17,2-9,0
СаО ГОСТ 10538-87 24,5-12,5
MgO ГОСТ 10538-87 5,2-7,2
К2О Методика № 30-07 0,2-0,1
№20 СО 34.37.528-94 0,5-0,4
S0з ГОСТ 10538-87 3,4-0,56
СаО св ГОСТ 23227-78 Не более 10
Перспективно, по нашему мнению, так же использование различных отходов, содержащих щелочи. В этом случае производство шлакощелочных вяжущих становится элементом безотходных технологий.
В качестве щелочного компонента могут быть использованы крупнотоннажные отходы производства сульфида натрия, капролактама, глинозема, кислорода. Щелочные растворы, используемые для очистки металлических отливок от шлака, пригара и окалины, тоже практически не используются, вывозятся на свалки, сливаются в шламонакопители... Изо всех этих отходов можно ежегодно изготовить, по меньшей мере, 30 млн. т высокопрочных шлакощелочных бетонов.
По расчетам, удельные капиталовложения на тонну шлакощелочного вяжущего (с учетом стоимости щелочного компонента) в 2,5-3,5 раза ниже, чем для портландцемента. При использовании щелочесодержащих отходов разница будет еще больше. Несмотря на это, обзор литературы по данной тематике, показал, что поиском щелочного компонента из отходов промышленности практически не занимались и, по мнению Л.И. Дворкина [8], именно дефицит щелочных растворителей сдерживает расширение объема производства шлакощелочных бетонов.
Изучение некоторых характеристик многотоннажных отходов суспензии пыли электрофильтров, сбрасываемых на шламовое поле Иркутского алюминиевого завода, показало возможность их применения в качестве щелочного активатора. При замешивании пыли электрофильтров в оборотную воду, происходит частичное растворение некоторых компонентов. В результате - оборотная вода превращается в слабый щелочной раствор, примерный состав которого приведен в табл. 2.
Таблица 2
Состав раствора суспензии пыли электрофильтров
Наименование и содержание соединений, г/дм3
NaF Ш2С03 №НС03 Na2S04
0,61 1,1 0,84 21,3
Отдельного внимания заслуживает девятиводный метасиликат натрия Na2SiOзx9H2O - натриевая соль метакремниевой кислоты, являющаяся побочным продуктом при производстве глинозема. Он содержит долю общей щелочности в пересчете на №20, %, не менее 20,5 %, а так же долю двуокиси кремния ^Ю2) не менее 19 %. Водные растворы метасиликата натрия имеют сильно щелочную реакцию и по своим химическим свойствам идентичны растворам щелочей, что, безусловно, свидетельствует о возможности их использования в качестве щелочного компонента вяжущего.
Учитывая усиливающееся стремление мировой общественности к ресурсо- и энергосбережению и постоянно увеличивающиеся накопления промышленных отходов, следует ожидать возрастания роли геополимеров в качестве вяжущего для высокопрочных бетонов на местном сырье, возможная экономическая и экологическая целесообразность применения которых служит и будет служить стимулом для их исследования и
полноценного промышленного внедрения. В будущем шлакощелочные вяжущие способны решить одновременно две проблемы: сокращение многотоннажных отвалов отходов производства и существенное уменьшение растущей с каждым годом стоимости одного из самых популярных строительных материалов - бетона, а, следовательно, и строительства в целом. Однако для этого научные разработки по данной тематике необходимо активно вести уже сегодня.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рахимова Н.Р. Шлакощелочные вяжущие и бетоны с силикатными и алюмосили-катными минеральными добавками : автореф. дис.... канд. техн. наук. Казань. 2010.
2. Davidovitz J. Geopolymer. Chemistry and applications. Saint-Quentin : Institute Geo-polymer, 2008. 592 p.
3. Geopolymer technology: the current state of the art / P. Duxson, A. Fernandez-Jimenez, J.L. Provis and other / J. Mater. Sci. 2007. V. 42. P. 2917-2933.
4. Глуховский В.Д. и др. / Материалы II республиканской научно-технической конференции по грунтосиликатам. Киев, 1968.
5. Purdon A.O. The action of alkalis on blast furnace slag // J.Soc. Chem. Ind. 1940. V. 59. P. 191-202.
6. Глуховский В.Д., Пахомов В.А. Шлакощелочные цементы и бетоны. Киев : «Бу-дивельник», 1978. 184 с.
7. Энтин З.Б., Стржалковская Н. Еще раз о золе-уносе ТЭС для производства цемента // Цемент и его применение. 2009. Вып. 2. С. 106-111.
8. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности : учебно-справочное пособие. Ростов н/Д : Феникс, 2007. 368 с.
Информация об авторах
Урханова Лариса Алексеевна, доктор технических наук, профессор кафедры «Производство строительных материалов и изделий», Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, тел.: 83012411193
Дмитриев Иван Андреевич, аспирант кафедры «Строительное производство», Иркутский государственный технический университет, тел.: 89500654060
Information about the authors
Urkhanova L.A, Doctor of Technical Sciences, professor for Production of Building Materials and Workpieces Department, Eastern Siberia State University of Technologies and Management, tel.: 83012411193, е-mail: urkhanova @mail.ru
Dmitriyev I.A., post-graduate, Building Production Department, Irkutsk State Technical University, tel.: 89500654060
