CC BY
31
УДК 691.42/43:666.97.03
Л. А. БАГАУТДИНОВ
СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ АСБЕСТОЦЕМЕНТНЫХ ОТХОДОВ
Рассмотрены принципы направления и эффективности применения попутных продуктов в производстве строительных материалов и изделий, с позиции рационального ресурсопользования..
При производстве асбестоцементных изделий образуются отходы в количестве до 12 % от массы сырья. Большая часть их в настоящее время вывозятся в отвалы, загрязняя окружающую среду.
Проведённые исследования показали пригодность использования асбестоцементных отходов при изготовлении строительных изделий: облицовочной плитки, стеновых камней, кирпичей, теплоизоляционных изделий. Разработаны составы и технологии их производства, исследованы свойства полученных изделий и способы улучшения качества (термообработка, гидрофобизация, поризация, обработка давлением и т. п.).
Возможно несколько способов улучшения физико-механических свойств материалов на основе асбестоцементных отходов (АЦО): помол отходов до высокой удельной поверхности; термообработка (обжиг); добавка кремнеземистых компонентов; применение интенсивных методов уплотнения.
Помол отходов
При помоле АЦО разрушаются гидрантные оболочки на поверхности зёрен и измельчаются сами зёрна, что приводит к частичному восстановлению гидравлической активности цемента. Влияние тонкости помола АЦО на свойства материалов из них детально изучено. Целесообразность тонкого измельчения отходов для повышения их активности и, вследствие этого, улучшения свойств материалов, получаемых на их основе, известна. Однако имеется специфика помола, связанная с присутствием в отходах волокон асбеста и с повышенной влажностью материала в случае использования влажных АЦО. Условия помола должны обеспечивать максимальную сохранность волокон для более эффективного армирования изделий, длина волокна при этом должна быть не менее 0,25 мм. Повышенная влажность отходов приводит к замазыванию мелющих тел, что снижает эффективность помола. Максимальная влажность отходов, при которой не происходит слипания частиц материала и замазывания мелющих тел - 12%. В связи с этим обязательным условием качественного помола влажных АЦО является их предварительное обезвоживание. Основным недостатками помола являются значительные энергозатраты и не-
© Багаутдинов А. А., 2004
обходимость специального оборудования (расход энергии на помол в 15-20 раз выше, чем на дробление).
Термообработка отходов
На рентгенограммах необожжённых АЦО имеются линии с межплоскостными расстояниями 2,63; 2,78; 3,05 А, относящиеся к силикатам кальция, а также 1,93; 2,63, 4,63 А, характерные для гидроксида кальция.
Термографическими исследованиями установлены изменения в АЦО при их сушке и обжиге. При температуре до 110 °С из материала выделяется ад-сорбционно связанная вода. При 140-180 °С происходит дегидратация гидроалюмината и гидросуль-фоадюмината калышя, а при 440-523 °С - извести. При температуре около 700 "С полностью завершается процесс потери химически связанной воды низкоосновными гидросиликатами, а также асбестом. При 860-1100 "С происходит декарбонизация кальцита. На рентгенограммах исчезают линии, соответствующие СаС03, Са(ОН)2, увеличиваются пики линий 2,68 и 2,78 А, относящиеся к силикатам кальция. Это подтверждается петрографическим анализом. Вместо С38 образуется повышенное количество С2Б ((3 и у) ,
СБ, С3 А. С увеличением тепмературы обжига растёт
выход волластонита и СаО. Цементный камень теряет свою прочность. В асбесте так же происходят необратимые процессы разложения при высоких температурах: 67% адсорбционной воды удаляется из асбеста при 110 "С , чем обусловлен первый эндо-метрический пик на его диаграммах. Дальнейший нагрев до 660-770 °С сопровождается удалением кристаллохимической воды (второй эндометриче-ский эффект). При 800-820 °С асбест переходит в форстерит с соответствующим экзометрическим эффектом, а при 1450-1550 °С - плавится.
При однократном нагревании асбест без существенной потери может выдержать воздействие температуры до 370°С, при 420°С прочность деформированного волокна снижается на 44% и потерянная прочность не восстанавливается.
При твердении вяжущего из АЦО, обожённых при оптимальных тепмературах (700-750 °С), образуются гидросиликаты типа СЭНП) и С8Н(П), а
также низко- и высокоосновные сульфоалюминаты кальция.
Таким образом, при высушивании и обжиге АЦО в системе увеличивается количество способных к гидратации соединений. Высушенные или обожённые отходы размалываются легче. В результате повышается активность материала.
Неразмолотые отходы, подвергнутые только грубой обработке в бегунах, благодаря сушке при 100 "С имели прочность на сжатие образцов в возрасте 28 суток - 2,0-2,9 МПа, вместо 0,04-0,24 МПа у образцов из невысушенных АЦО. Обжиг этих составов при 700 °С позволил получить материал с прочностью на сжатие 5,3-8,2 МПа без помола и с 15,0-18,4 МПа с помолом до удельной поверхности 250-255 м2/кт. Следовательно, сочетание обжига с помолом дает наибольший эффект, хотя при обжиге асбестовые волокна и теряют значительную часть своей прочности. Основными недостатками обжига являются значительные энергозатраты, необходимость печей и образование СаО св, существенно повышающего вероятность образования трещин в материале, а также потеря прочности асбестовых волокон.
Добавка кремнеземистых компонентов
В АЦО содержится значительное количество гидроксида кальция, образовавшегося при гидратации клинкерных минералов. При введении добавок, содержащих активный кремнезём, за счёт реакций пуццоланизации могут образовываться низкоосновные гидросиликаты кальция (при положительной температуре и влажностных условия). В результате возрастают прочность и морозостойкость материалов.
В качестве кремнезёмистого компонента применяли кварцевый песок, размолотый до 8 = 200-250 м2/кг, отходы электротермического производства фосфора (фосфорные шлаки), ныль - унос производства ферросилиция , золу ТЭЦ. С целью ускорения реакций взаимодействия компонентов последние размалываются до удельной поверхности 200-330 м2/'кг, а отформированные изделия подвергаются тепловлажностой обработке в автоклавах при давлении насыщенного пара 0,8-1,2 МПа. Оптимальная тонкость помола зависит от количества, вида и дисперсности компонентов смеси и лежит в пределах от 250 до 750 м2/кг. Более высокую прочность имели образцы из составов совместного помола составляющих.
В зависимости от отношения АЦО и кремнезёмного компонентов смесей, их вида и тонкости
0
помола, режимов тепловой обработки были получены материалы с прочностью на сжатие от 7,5 до 60 МПа.
В качестве кремнезёмистых компонентов в материалах на основе АЦО наиболее перспективны золы ТЭС, многотоннажные отходы которых, в отличие от шлаков и кварцевого песка, изначально имеют достачно высокую поверхность и не требуют дополнительной обработки.
Процессы, происходящие при твердении смеси АЦО и кремнезёмистых составляющих, во многом похожи на происходящие в бетонах на основе смешанных вяжущих.
В зольных вяжущих, наряду с тонковолокнистыми гидросиликатами и кристаллами гидросулъ-фоалюминатов, в зависимости от условий твердения наблюдаются следующие характерные новообразования: при нормальных условиях твердения - гексагональные гидроалюминаты и ГСАК, при пропаривании при температуре 70-90 °С - начало образования гидрогрангов, при автоклавной обработке - увеличение количества гидрогрантов. Продуктами реакции являются: низкоосновные гидросиликаты СБН(В) в результате снижения концентрации извести в растворе, гидрогеленит, моносульфат ЗСа0*А1203 * Са804 *12 Н2 О.
В нормальных условиях твердение обычно обусловлено гидратацией портландцемента , зола же является добавкой, улучшающей микрогранулометрию вяжущего и раствора. Тверх1ение в попарочной камере обеспечивает значительную активизацию частиц золы, и реакции гидратации на поверхности зольных частиц становятся заметными уже через 6-8 часов. Гидратированная стеклофаза активно поглощает ионы Са2+ из жидкой фазы. В результате формируется контактная зона, состоящая преимущественно из низкоосновных гидросиликатов кальция С8Н(1), гидрогрантов и продуктов разложения эпри-нгита.
В затвердевшем вяжущем заметно снижается количество негидратированного клинкера и свободной Са(ОН)2. Эти данные свидетельствуют о положительном влиянии зольных частиц на процесс гидратации клинкерных минералов, благодаря снижению щёлочности жидкой фазы. Зола также обусловливает частотный гидролиз С8Н(П) со снижением основности гидросиликата. Таким образом, при 70-90 °С зола обеспечивает значительное повышение прочности бетона на портландцементе.
Способы формирования строительных изделий из смесей на основе АЦО
Измельченные влажные и сухие АЦО имеют высокую водопотребность из-за развитой поверхности асбестовых волокон и частиц цементного камня, а также их значительной прочности. Вследствие этого для получения на основе АЦО материалов, обладающих достаточно высокими физико-механическими характеристиками, необходимо использовать весьма жёсткие бетонные смеси. Наиболее распространённым способом формирования изделий из таких смесей является статическое прессование. Прессование стимулирует рост прочности бетона уже в раннем возрасте. Вследствие малого содержания свободной влаги в растворе перемещение образующихся зародышей гидрантных соединений затрудняется, в результате чего образуется большое количество мелких кристаллов, определяющих мелкозернистую структуру цементного камня, характеризующегося высокими плотностью и прочностью. Опыт показывает, что для
значительного улучшения физико-механических свойств бетонных изделий, давление прессования должно быть не ниже 10-15 МПа. Применение таких высоких давлений прессования целесообразно при изготовлении мелкоштучных изделий типа стеновых камней, кирпичей, облицовочных плиток и т. п., которые имеют небольшую площадь в плане, и поэтому необходимые усилия прессования не очень высокие. Применение двустороннего прессования, по сравнению с односторонним, позволяет получать более однородные по высоте изделия при меньших усилиях прессования, хотя и требует более сложного оборудования. Установлено, что определённым значениям влажности соответствуют необходимые давления прессования 30-50 МПа, при которых достигается максимальная прочность изделий. Стеновые камни, полученные полусухим прессованием, имели
прочность 15-33 МПа, морозостойкость - 7—46 циклов, теплопроводность 0,26-0,19 Вт/(м- К).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Багаутдинов, А. А., Нейман, С. М. Утилизация асбестоцеменных отходов в производстве строительных материалов // Строительные материалы. - 1993. -№4.-С. 5-7.
2. Багаутдинов, А. А., Горчаков, Г. И. Стеновой материал на основе сухих асбестоцементных отходов // Строительные материалы. - 1996. — № 5. - С 24-25.
Багаутдинов Лнас Алшрзянович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительное прогаводство и материалы» УлГТУ. Имеет статьи, патенты в области строительных материалов.
