Строительные материалы на основе влажных отходов производства асбестоцементных изделий

  Одним из путей переориентации продукции на потребности рынка является широкое использование отходов асбестоцемента, образующихся при формовании и обрезке заготовок. По данным асбестоцементной промышленности, объем твердого осадка, образующегося при очистке технологической воды, в перерасчете на сухое вещество достигает 1,5…2 % от массы сырья. Влажные отходы, накапливаемые в отстойниках, занимают десятки гектар плодородной земли. “Зеркало” отстойника способно подсыхать, и тогда асбестоцементная пыль легко разносится по близлежащей местности. С экологической и ресурсосберегающей точки зрения наиболее рационально утилизировать эти отходы внутри производства в миницехах.
   Нетрадиционная обработка начинается после отделения воды из влажных отходов в отстойниках или на полях фильтрации, которые доводятся до пастообразной массы с содержанием воды 80…90 %. Физико-механические свойства образцов, отформованных из влажных асбестоцементных отходов (АЦО), различаются в зависимости от исходного сырья и “возраста”: плотность изменяется от 275 до 660 кг/м3, а теплопроводность – от 0,04 до 0,1 Вт/(м · °С).
   Анализ химического состава влажных АЦО показал, что в них присутствуют компоненты, содержание которых зависит от вида применяемого сырья. Основными оксидами являются СаО и SiО2, суммарное содержание которых в среднем составляет 60%. Содержание асбеста во влажных отходах не превышает 6…6,5 % , что в 2…2,5 раза меньше, чем в исходном сырье. Половина волокон асбеста имеет длину 1,35…4,8 мм, остальные – 0,25…1,35 мм. Диаметр большей части волокон 15…40,9 мкм. Роль волокон заключается в армировании структуры цемента асбестом, обладающим высокой адсорбционной способностью.
   Для повышения прочности и улучшения других свойств материалов на основе влажных АЦО предложено несколько способов активации отходов. Химическая активация осуществляется введением добавок, содержащих активный кремнезем. За счет реакции пуццоланизации образуются низкоосновные гидросиликаты кальция. При высушивании и обжиге влажных АЦО в системе увеличивается количество соединений, способных к гидратации. Высушенные или обожженные отходы легче размалываются, причем домол отходов способствует повышению активности материала из-за нарушения гидратных пленок, обнажения клинкерного фонда.
   Для улучшения вяжущих свойств неактивированных или слабоактивированных отходов в шихту для изготовления новых композиционных материалов добавляли: шлакопортландцемент М400 или портландцемент, строительный гипс и трепел Погребского месторождения.
   Для создания гранулированных материалов на основе влажных АЦО использовали тарельчатый гранулятор. Гранулирование выполняли в две стадии:
   изготовление ядра гранулы из влажных АЦО методом первичной грануляции;
   создание вокруг ядра плотной оболочки из вяжущего и дисперсного АЦО методом вторичной грануляции, без добавления жидкой фазы.
   При такой технологии ядро гранулированного композита попадает на тарелку гранулятора уже необходимой влажности. При вращении тарелки ядро уплотняется, причём под действием центробежной силы избыточная влага вытесняется на поверхность. Мокрое ядро обволакивается сухой сырьевой смесью, увеличиваясь в размере и приобретая более плотную защитную оболочку. Рост гранул сопряжён с увеличением длительности механического воздействия на неё, вследствие чего растёт плотность и уменьшается размер пор. Без дополнительного диспергирования жидкой фазы на тарелке гранулятора налипание новых частиц происходит более равномерно и значительно быстрее, чем диффузия воды на поверхность гранулы. Поверхностный слой подвергается более интенсивному механическому воздействию, при этом получаемая оболочка имеет повышенную плотность по сравнению с ядром. Оболочка выполняет роль скорлупы и защищает более рыхлое пористое ядро от механических нагрузок. В то же время деформации, возникающие в таком композите, не вызывают разрушения оболочки благодаря ее армированию волокнами асбеста.
   При измельчении АЦО повышается активность цементной составляющей, что привело к увеличению содержания СаО на 1% и сокращению сроков схватывания в 2 раза, а также к улучшению гранулируемости .
   Твердение для набора прочности безобжигового пористого заполнителя легкого бетона происходит при температуре 85 °С в течение 3–6 ч (см. рисунок).
   Технологическая схема получения слоистого пористого теплоизоляционного материала отличается тем, что ядро гранул теплоизоляционной засыпки – влажные АЦО, оболочка – асбоцементные отходы, высушенные при температуре 110 °С, и глинистое сырье (глины, трепела). Сырьевые компоненты оболочки совместно измельчались в шаровой мельнице.
   Повышение температуры воды не может вызвать значительной деструкции ядра и оболочки гранулы, поскольку абсолютный прирост объёма жидкости при температуре 100–110 °С может составить 0,66–0,75 %, и эта избыточная вода свободно перемещается в резервных воздушных порах оболочки композита.

   Миграция оставшейся воды в ядре гранулы происходит под давлением расширяющегося воздуха в порах, поэтому интенсивному передвижению воды предшествует нарушение структуры материала ядра от расширения воздуха.
   Самостоятельные деформирующие воздействия на структуру мигрирующей жидкости слабее, чем давление расширения воздуха. Температурное расширение происходит в течение нескольких суток перед использованием. Твердение гранул продолжается всё время в процессе эксплуатации, пока есть соответствующие условия. Ещё в период грануляции, результатом взаимодействия воды с гидрофильными материалами (глиной, АЦО) является образование на поверхности частиц коллоидного раствора, что ведет к уплотнению структуры. Время выдержки, перед эксплуатацией необходимо для слипания коллоидных частиц и подсушивания гранул до остаточной влажности 5 %. Сырец пористого заполнителя с оболочкой из глинистых материалов и ядром из АЦО твердеет и увеличивает прочность в процессе эксплуатации в качестве теплоизоляционной засыпки тепловых агрегатов с рабочей температурой до 400 °С. В процессе нагревания гранул, окатанных в глинистом сырье, из них выделяются парообразные и газообразные продукты. Адсорбированная вода из асбеста удаляется в интервале 110–380 °С, и в интервале 110–180 °С свободная и адсорбированная вода удаляется из глинистой составляющей. При однократном нагревании волокна асбеста, содержащиеся в АЦО, без существенной потери прочности могут выдерживать температуру до 400 °С. При температуре выше 400 °С прочность деформированного волокна снижается. Существенно важными в период нагревания гранул от 400 до 450 °С являются реакции взаимодействия различных минералов. Асбестовые волокна в оболочке армируют композиционные гранулированные материалы, предотвращают усадку и появление трещин.
   Асбестовые волокна обладают способностью удерживать на своей поверхности и в промежутках между волокнами значительное количество воды, что определяется адсорбцией воды асбестовыми волокнами и капиллярными силами в воздушных промежутках между ними. Поэтому при сушке гранул образуются новые поры с известными последствиями.
   Кинетика изменения свойств теплоизоляционной засыпки в зависимости от температуры приведена в табл. 1, а основные свойства заполнителя – в табл. 2.
   Рентгеноструктурному анализу был представлен материал, прошедший термообработку. Пробы взяты из оболочки и контактной зоны “ядро-оболочка” композита.
   Проба асбестоцементные отходы + глина содержит аморфную и кристаллическую части, соотношение между ними примерно 60 % и 40 %. Кристаллическая часть содержит следующие фазы: из исходных материалов хризотил-асбест, кальцит, гидрослюду, монтмориллонит, оксид железа. Гидратные новообразования в виде aa-гидрата двухкальциевого силиката С2SH(A), имеющего форму кристаллов в виде пластин, с межплоскостными расстояниями d = [3.51; 3.27; 2.90; 2.81; 2.60; 1.80 ] · 10-10 м и соединения типа делланита – C2SH(D) – 6CaO · 3SiO2 · H2O, образование которого происходит при температуре свыше 300 °С с d = [6.8; 3.27; 3.07; 2.90; 2.81; 2.67; 2.57; 2.42] · 10-10 м.
   Асбестоцементные отходы из ядра гранул представлены гидратами и карбонатами минералов цемента, а также асбестом. В пробе присутствуют две фазы: аморфная и кристаллическая, соотношение между ними примерно 60 % и 40 %. Продукты гидратации: кальций – CaCO3; портландит – Ca(OH)2; эттрингит – 3CaO · Al2O3 · 3CaSO4 · 31H2O.
   Можно утверждать, что полученные композиционные гранулированные материалы являются жизнеспособными, так как новообразования типа Са(ОН)2, гидросиликаты кальция, наличие хризотил асбеста и аморфного кремнезема предполагают дальнейший рост прочности гранул.
   Подтверждается тесная взаимосвязь прочностных показателей гранул с особенностями их структуры. Равномерное распределение пор в грануле приводит к повышению однородности структуры. Вяжущая часть оболочки является своеобразным микроструктурным, микродисперсным композитом, который участвует в формировании нового макродисперсного композита. Дисперсные АЦО в сочетании с вяжущим создают монолитную оболочку, имеющую высокую адгезию к волокнисто-пористому ядру и повышенную прочность гранул.
   При использовании в качестве вяжущего портландцемента в оболочке заполнителя происходят процессы, в результате которых на поверхности волокон асбеста адсорбируются продукты гидролиза и гидратации цемента. В частности, свободный оксид кальция входит в соединение с кремнийкислородными тетраэдрами с образованием гидросиликата кальция. Часть кристаллических новообразований при твердении смеси нарастает с поверхности волокон асбеста с цементом. Как показал рентгеноструктурный анализ, свободный оксид кальция почти полностью переходит в гидросиликат типа SH(B). Тоберморитоподобные гидросиликаты имеют пластинчатую разновидность с высокой прочностью на сжатие.
   Рентгенограммы влажных отходов с различными минеральными вяжущими позволили выявить новообразования в системе Ca-Mg-Si типа тремолита и артимита в результате замещения ионов Mg на Ca в структуре пограничного слоя хризотиласбест – цементирующее.
   Новый пористый композиционный заполнитель экологически чист, характеризуется насыпной плотностью 330...360 кг/м3, теплопроводностью 0,084 Вт/(м · °С), прочностью при сжатии 1,94...2,06 МПа.
   Легкий бетон на основе нового пористого заполнителя на керамзитовом песке имеет среднюю плотность 850 кг/м3, теплопроводность 0,35 Вт/(м·°С), предел прочности при сжатии 3,5...3,7 МПа (на кварцевом песке эти показатели выше на 15...20 %); морозостойкость 50 циклов.
   Такой бетон может быть использован согласно СНиП II-3-79* “Строительная теплотехника” в двух- и трехслойных конструкциях малоэтажного строительства с утеплением.