Неавтоклавные бетоны плотной и ячеистой структуры на основе мелкодисперсных глиносодержащих отходов

  В связи с изменившейся экономической ситуацией в России проблема рационального использования минерально-сырьевой базы становится все более актуальной. Наиболее важным в ресурсо- и энергосбережении в строительстве является применение в производстве строительных материалов вторичного и нетрадиционного видов сырья с использованием технологий, снижающих энерго-, материалоемкость и обеспечивающих экологическую безопасность строительных материалов и изделий.
На заводах по производству строительных материалов (асфальтобетона, сухих строительных смесей и т. д.), использующих предварительную обработку песка – сушку, фракционирование и другие подобные процессы, в циклонах и фильтрах газоочистки (рис. 1) образуются пылевидные отходы, содержащие до 50 % глинистых минералов. Ежесуточно на отдельно взятом заводе асфальтобетона мощностью 300 тыс. т образуется около
40 м3 отходов, прошедших термообработку, в процессе которой удаляются органические примеси и частично активизируются глинистые составляющие.
На практике некоторая часть таких отходов повторно используется при производстве асфальтобетона в качестве минерального наполнителя. Однако в действительности бульшая часть накапливается в отвалах, становясь источником загрязнения окружающей среды. Это явилось следствием выполнения требований ряда нормативных документов. В частности ГОСТ 8736-85 “Песок для строительных работ. Технические условия” содержание глинистых и пылевидных частиц строго ограничивает. При этом не учитываются минералогический состав, генезис и коллоидно-химические свойства таких частиц.
В МГСУ на кафедре “Технология вяжущих веществ и бетонов” на протяжении ряда лет проводятся исследования по разработке научно-обоснованных технологических решений, позволяющих на основе глиносодержащего сырья изготавливать неавтоклавные материалы по безобжиговой технологии, частично решающей важную природоохранную проблему за счет уменьшения:
• расхода энергии на формирование структуры и прочности материала без обжига и без автоклавной обработки;
• теплового загрязнения окружающей среды;
• затрат на дорогостоящие и сложные в эксплуатации автоклавы и паросиловые установки.
Рациональным является использование глиносодержащих отходов в качестве компонента для изготовления неавтоклавных песчаных бетонов и конструкционно-теплоизоляционных и теплоизоляционных ячеистых бетонов. Причем неавтоклавные ячеистые бетоны с необходимыми теплофизическими свойствами являются наиболее перспективным материалом, и в первую очередь для возведения ограждающих конструкций зданий.
Для достижения наибольшей прочности ячеистого бетона средний размер частиц его составляющих должен быть соразмерным толщине стенки газовых пор. Высокая дисперсность глиносодержащих отходов по сравнению с таковой кварцевых песков позволяет использовать их в качестве заполнителя в ячеистых бетонах без энергоемкого домола в мельницах, на который расходуется до 50 % всей энергии, необходимой для производства ячеистых бетонов.
Исследования химико-минералогического состава пылевидных отходов показали, что песчаные фракции состоят, главным образом, из зерен кварца, пылеватые – из полевого шпата. Глинистые частицы представлены минералами групп каолинита, аттапульгита, хлорита и промежуточной группы гидрослюд типа иллита. По химико-минералогическому составу полевые шпаты, слюды и каолин являются солями кремниевой кислоты и относятся к группе алюмосиликатов, а кварц представляет собой кристаллический кремнезем. Химический состав отдельно взятого глиносодержащего отхода представлен в таблице.
Анализ проведенных исследований показал, что отход с повышенным содержанием глинистых частиц, в отличие от обыкновенных заполнителей в бетонах, является активным компонентом. Он участвует в процессе твердения и в зависимости от своего химико-минералогического состава может оказывать положительное или отрицательное воздействие. Высокая удельная поверхность глинистых фракций вызывает появление в материале специфических свойств, в частности развитие адсорбционных процессов и ионного обмена. В отличие от молотого кварцевого песка, взаимодействующего с вяжущим при автоклавной обработке, глинистые частицы взаимодействуют с цементом и известью в условиях влажного твердения при температуре 70–90оС и атмосферном давлении. Увеличение температуры тепловой обработки интенсифицирует взаимодействие глинистых частиц и вяжущих веществ (цемент и известь), в результате чего образуются дополнительные цементирующие материалы за счет растворения оксида кремния и глинозема в жидкой щелочной среде. Ионы кальция соединяются с реактивным двуводным оксидом кремния и глиноземом с образованием нерастворимых в воде гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, повышающих необратимую прочность всей системы. Способность глинистых частиц удерживать воду обеспечивает длительное нарастание прочности бетона.
Изучение реакций и процессов, проходящих в композициях на основе цемента, извести и глиносодержащего компонента в период затворения, формования и твердения, позволяет управлять ими, создавая материал с заранее заданными свойствами.

Повышенная дисперсность глиносодержащего компонента неблагоприятно отражается на водопотребности и реологических свойствах смеси, что снижает эффект проявления активности. Как показали исследования, для получения ячеистых бетонов заданной прочности, пониженной усадки и ползучести водопотребность бетонных смесей должна быть минимальной, а перегородки межгазовых пор должны иметь максимальные плотность и прочность.
В целях управления структурообразованием и твердением композиций на основе цемента и глиносодержащего отхода проведены исследования роли добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ): разжижителя С-3, лигносульфоната технического (ЛСТ), пластификатора “Лигнопан-Б1”. Результаты показали, что ПАВ положительно влияют на изменение характера структурообразования бетонов на основе глиносодержащих веществ. Адсорбция ПАВ на глинистых частицах сопровождается сольватацией их поверхности, что приводит к появлению расклинивающего давления. Это способствует дальнейшей дезагрегации глинистых частиц и уменьшению внутреннего трения, что повышает пластичность бетонной смеси. Таким образом, использование ПАВ дает возможность резко снизить расход воды и как следствие уменьшить усадочные деформации, повысить прочность, трещиностойкость и долговечность (рис. 2). Например, введение в бетонную смесь на основе глиносодержащих отходов 2,3 % суперпластификатора С-3 к массе цемента снижает водопотребность смеси на 20 % и увеличивает прочность на сжатие на 25 % по сравнению с таковой бездобавочной смеси.
Разработанные технологии производства с использованием глиносодержащих отходов позволяют получать бетоны плотной и ячеистой структуры с широким диапазоном свойств, в частности:
• плотные бетоны классами по прочности на сжатие от В3,5 до В22,5, марками по морозостойкости от F35 до F200, водонепроницаемостью до W12;
• ячеистые бетоны марками по средней плотности D600 - D1100, классами по прочности В1 до В10.
Все это создает предпосылки для изготовления изделий различной номенклатуры.