Строительные материалы на основе злошлаковых отходов

1 Строительные  материалы на основе отходов  производства и потребления

1.1 Отходы как вторичные материальные ресурсы

Любые отходы можно рассматривать в качестве вторичных материальных ресурсов (ВМР), поскольку они могут быть использованы в хозяйственных целях, либо частично (т. е. в качестве добавки), либо полностью замещая традиционные виды материально-сырьевых и топливно-энергетических ресурсов, причем главной особенностью таких ресурсов является их постоянная воспроизводимость в процессе материального производства, оказания услуг и конечного потребления.

В Российской Федерации ВМР используются практически во всех отраслях промышленности. При этом масштабы и степень переработки различных видов ВМР значительно варьируют в зависимости от ресурсной ценности отходов, от экологической ситуации, обусловленной их свойствами как загрязнителей среды, и — самое главное — от конкретных экономических условий, определяющих рентабельность использования отходов в том или ином виде производства.

Так, традиционные виды вторичного сырья — лом и отходы металлов, высококачественные отходы полимеров, текстиля, макулатуры легко поддаются сбору и переработке. Напротив, сложные многокомпонентные отходы, а также загрязненные отходы практически не перерабатываются. К последним относятся смешанные и загрязненные нефтепродукты, изношенные шины, отходы упаковки из ламинированной бумаги, осадки и шламы очистных сооружений, гальваношламы и т. п.

В качестве вторичного сырья отходы наиболее полно используются в металлургии, целлюлозно-бумажной промышленности, при производстве строительных материалов (см. табл. 1.3). Некоторые виды продукции изготавливаются полностью или почти целиком из вторичного сырья, это некоторые виды бумаги и картона, изделия широкого хозяйственного потребления из полиэтилена (ящики, ведра, поливочные шланги, пленка и т. д.).

Таблица 1.3 Оценка доли вторичного сырья в производстве важнейших видов промышленной продукции

Средний коэффициент использования отходов в качестве вторичного сырья в России можно оценить примерно в одну треть, что в 2–2,5 раза ниже, чем в более развитых странах. При этом необходимо иметь в виду, что в нашей стране многие виды отходов практически вообще не используются в хозяйственных целях. Так, уровень переработки ТБО в среднем по России не превышает 4–5%. Плохо перерабатываются золы и шлаки ТЭС, фосфогипс, изношенные шины, полимерные отходы, осадки очистных сооружений, жидкий свиной навоз и птичий помет. Эта ситуация имеет двоякие последствия: во-первых, промышленность несет значительные потери материально-сырьевых и топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), содержащихся в отходах, во-вторых, продолжается интенсивное накопление неиспользуемых отходов в окружающей среде — каждый год примерно 60–70% от их возникшего объема, или, в абсолютных показателях, — 2-2,5 млрд тонн в год [3].

1.2 Вяжущие материалы на основе металлургических шлаков

В настоящее время основным потребителем доменных шлаков является цементная промышленность. Для цементной промышленности также перспективными являются некоторые другие виды металлургических шлаков: феррохромовый, позволяющий получать цветной портландцементный клинкер; никелевые и медные, применяемые в качестве железистого компонента сырьевой цементной смеси и активной минеральной добавки; шлаки алюмотермического производства ферросплавов и вторичной переплавки алюминия и его сплавов — как сырье для производства глиноземистого цемента и сверхбыстротвер-деющего портландцемента; сталерафинировочные шлаки, пригодные для получения расширяющихся цементов. Для получения шлаковых вяжущих автоклавного твердения возможно применение как гранулированных, так и медленно охлажденных сталеплавильных шлаков и шлаков цветной металлургии.

Шлакосодержащие вяжущие можно подразделить на следующие основные группы: портландцемент и шлакопортландцемент, сульфатно-шлаковые, известково-шлаковые, шлакощелочные вяжущие. Из них наиболее важное значение для строительства имеют портландцемент и шлакопортландцемент, объем производства которых превалирует в общем выпуске цемента. Высока и технико-экономическая эффективность использования бесклинкерных шлаковых вяжущих, характеризующихся низкой себестоимостью, несложной технологией изготовления и сравнительно высокими строительно-техническими свойствами.

1.2.1 Портландцемент

В соответствии с европейскими нормами цементы общестроительного назначения разделяют в зависимости от вида и содержания добавок на пять типов. В группу портландцементов относят портландцемент I типа, содержащий до 5% активных минеральных добавок, и портландцемент II типа, содержащий от 6 до 35% минеральных добавок.

Цемент III типа — шлакопортландцемент. Он может содержать от 36 до 80% доменного шлака. Цементы IV и V типов — соответственно пуццолановый и композиционный цементы. Первый содержит от 21 до 55% пуццолановых добавок, второй — 36—80% композиции добавок, в которую как одна из добавок вводится обязательно доменный гранулированный шлак.

Доменный шлак в производстве цементов на основе клинкера применяют как компонент сырьевой смеси и как активную минеральную добавку. Экономическая эффективность применения гранулированного шлака в качестве активной минеральной добавки в цемент в несколько раз выше, чем в качестве сырьевого компонента. Как сырьевой компонент целесообразнее применять отвальные шлаки, ресурсы которых весьма велики. По химическому составу в качестве компонента портландцементной сырьевой шихты пригодны также и сталеплавильные шлаки.

1.2.2 Шлакопортландцемент

Гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое совместным тонким измельчением клинкера, требуемого количества гипса и доменного гранулированного шлака (35—80%) или тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно.

Гранулированные доменные шлаки в производстве шлакопортландцемента, так же как и портландцемент применяют не только как активную минеральную добавку, но и в качестве сырьевого компонента цементного клинкера. Вместо доменных шлаков при получении шлакопортландцемента можно применять электротермофосфорные шлаки.

Шлакопортландцемент является одним из наиболее эффективных видов вяжущих, так как при его производстве значительная часть клинкера заменяется более дешевым гранулированным шлаком. При использовании доменных шлаков для производства шлакопортландцемента топливно-энергетические затраты на единицу продукции снижаются в 1,5—2 раза, а себестоимость — на 25—30%. Например, при производстве шлакопортландцемента марки М400 расход топлива в среднем на 36% ниже, чем при производстве бездобавочного портландцемента той же марки. Расход электроэнергии сокращается на 12, а затраты на содержание и эксплуатацию оборудования — на 10—15%.

1.2.3 Бесклинкерные шлаковые вяжущие

Продукты тонкого измельчения шлаков, содержащие добавки активизаторов их твердения.

Шлаки способны самостоятельно твердеть при нормальных условиях лишь при существенном содержании в них гидравлически активных фаз, например, Р-двухкальциевого силиката. Содержание таких фаз в шлаках обычно незначительно и они при нормальных условиях или при пропаривании в условиях атмосферного давления не твердеют или твердеют очень медленно и характеризуются невысокой прочностью. При использовании гранулированных шлаков с высоким содержанием стекла их твердение можно вызвать введением добавок — активизаторов, способствующих проявлению потенциальных вяжущих свойств шлакового стекла. Различают щелочную, сульфатную и комбинированную активизацию шлаков.

1.2.4 Бетоны на основе металлургических шлаков 

настоящее время разработаны и применяются в строительстве разнообразные виды бетонов с применением как вяжущих, так и заполнителей на основе металлургических шлаков. Стоимость изделий из шлаковых бетонов на 20—30% меньше, чем традиционных.

В зависимости от вида шлаковых заполнителей изготавливают бетоны с различной средней плотностью: особо тяжелые (р0 > 2500 кг/м3) на некоторых шлаках сталеплавильного производства и цветной металлургии; тяжелые (р0 = 1800—2500 кг/м3) на литом и отвальном шлаковом щебне, песке и гранулированном шлаке; легкие (р0 < 1800 кг/м3) на шлаковой пемзе (крупный заполнитель) и гранулированном шлаке (мелкий заполнитель). Параллельно с крупнозернистым используют мелкозернистые шлаковые бетоны, где заполнителем является гранулированный шлак.

В зависимости от структуры различают обычные плотные, крупнопористые и ячеистые шлаковые бетоны. Последние являются особенно эффективными.

По назначению шлаковые бетоны делятся на: конструкционные или общего назначения; конструкционно-теплоизоляционные, применяемые при возведении ограждающих конструкций; гидротехнические; дорожные; теплоизоляционные; кислото- и жаростойкие.

1.2.5 Золосодержащие бетоны и растворы

Исследованиями и практикой установлена эффективность введения сухих пылевидных зол при изготовлении бетонных и растворных смесей в качестве активных минеральных добавок и микронаполнителей.

Бетонные смеси с золами обладают большей связностью, лучшей перекачиваемостью, меньшим водоотделением и расслоением. Бетон имеет при этом большую прочность, плотность, водонепроницаемость, стойкость к некоторым видам коррозии, меньшую теплопроводность.

Наиболее эффективны как активные добавки в бетонах кислые золы, не обладающие вяжущими свойствами; их пуццоланическая активность проявляется во взаимодействии с цементным вяжущим. В зависимости от этой характеристики по отношению к конкретному цементу, водопотребности и удобоукладываемости бетонной смеси, условий и длительности твердения удается существенно сократить расход цемента.

Оптимальное содержание золы (кг/м3), составляет для бетонов: пропариваемого — около 150; нормального твердения — 100. В соответствии с известными рекомендациями применение 150 кг золы-уноса на 1 м3 тяжелого бетона классов В7,5—ВЗО позволяет сэкономить 40—80 кг цемента. В бетонах, подвергаемых тепловой обработке, применение золы дает возможность экономить до 25% цемента.

Значительный практический опыт применения золы-уноса в бетонах накоплен в гидротехническом строительстве. В настоящее время доказана эффективность замены 25—30% портландцемента золой-уносом для бетонов внутренних зон массивных гидротехнических сооружений и 15—20% для бетона в подводных частях сооружений. В ряде случаев обоснована целесообразность увеличения содержания в гидротехническом бетоне золы-уноса до 50—60% от массы цемента. При замене золой до 40% цемента при их совместным измельчением прочность бетона через 28 сут близка, а через 60 сут практически равна прочности бетона без добавки.

Впервые в 1961 г. произведена опытно-производственная укладка бетона с добавкой 15—20% золы-уноса в тело плотины Братской ГЭС. Было уложено около 5000 м3 бетона с золой, который по основным физико-механическим характеристикам не отличался от бетона без добавки золы.

1.3 Силикатный кирпич, керамические и плавленые материалы на основе зол и шлаков ТЭС

Золы и шлаки ТЭС являются эффективным сырьем для изготовления силикатного кирпича, зольной керамики, минеральной ваты, стекла. Применение топливных зол и шлаков в производстве рассматриваемых материалов обеспечивается совокупностью их свойств: химическим взаимодействием с известью, дисперсностью, спекаемос-тью, теплотворной способностью, способностью давать силикатный расплав. В зависимости от целевого назначения золошлакового сырья и применяемых технологий ведущее значение приобретают те или иные из указанных свойств.

Силикатный кирпич. На долю силикатного кирпича приходится значительная часть всего объема стеновых материалов. Приведенные затраты на возведение стен из силикатного кирпича составляют примерно 84% по сравнению с необходимыми затратами при использовании керамического кирпича. Расход условного топлива и электроэнергии на производство силикатного кирпича в 2 раза ниже, чем керамического. На получение 1 тыс. шт. силикатного кирпича расходуется в среднем 4,9 ГДж тепла, половина которого составляет тепло на обжиг извести, а другая — на автоклавную обработку и другие технологические операции.

В производстве этого материала золы и шлаки ТЭС используются как компонент вяжущего или заполнителя ( 3.8). В первом случае расход золы достигает 500 кг на 1 тыс. шт. кирпича, во втором — 1,5—3,5 т. Оптимальное соотношение извести и золы в составе вяжущего зависит от активности золы, содержания в извести активного оксида кальция, крупности и гранулометрического состава песка и других технологических факторов и может колебаться в широком диапазоне. При введении угольной золы расход извести снижается на 10—50%, а сланцевые золы с содержанием (СаО + MgO) до 40—50% могут полностью заменить известь в силикатной массе. Зола в извес-тково-зольном вяжущем является не только активной кремнеземистой добавкой, но также способствует пластификации смеси и повышению в 1,3—1,5 раза прочности сырца, что особенно важно для обеспечения нормальной работы автоматов-укладчиков. Эффективность введения золы повышается с ростом удельной поверхности из-вестково-зольного вяжущего. При этом в зольном компоненте силикатного кирпича должно содержаться не более 3—5% несгоревшего топлива и не менее 10% оплавленых частиц.

1.4 Дорожно-строительные и изоляционные материалы с применением зол и шлаков ТЭС