Пылевидные отходы – эффективные наполнители для неавтоклавного газобетона

  В сложившейся экономической ситуации в стране перед строительной индустрией стоят задачи экономии минеральных ресурсов, снижения материалоемкости, трудоемкости и энергетических затрат. Их выполнение непосредственно связано с производством самого объемного и крупнотоннажного строительного материала – стеновых изделий и конструкций. С введением новых теплотехнических норм в строительстве и увеличением цен на энергоносители особенно остро встал вопрос разработки и использования высокоэффективных, экологически чистых стеновых материалов с высокими теплозащитными свойствами.
   Наиболее перспективен в сложившейся ситуации неавтоклавный ячеистый бетон. Он обладает всеми основными преимуществами, отвечающими современным требованиям к строительным материалам по теплозащитным характеристикам. Однако большинство существующих в настоящее время технологий производства неавтоклавного ячеистого бетона требует применения достаточно дорогостоящих сырьевых материалов (портландцемент, известь, мытый кварцевый песок и др.), что отражается на стоимости и конкурентоспособности материала. Для решения данной проблемы наиболее актуальны разработки новых технологических приемов использования в производстве неавтоклавных ячеистых бетонов местной сырьевой базы и минеральных промышленных отходов. Это позволит обеспечить производство богатейшим источником дешевого и частично уже подготовленного минерального сырья и создаст реальные возможности для экономии энергетических ресурсов и капитальных вложений.

   В процессе добычи и переработки первичного природного сырья промышленностью от 60 до 90 % превращается в отходы и побочные продукты. В ряде регионов страны на протяжении многих лет в отвалохранилища направляются огнеупорные глины, каолинитовое сырье, песчаники, горелые породы, пылевидные отходы с высоким количеством глинистых примесей. Ограничение массового использования глиносодержащих отходов и некондиционных пылевидных песков в технологии производства бетонов обусловлено тем, что недостаточно изучена роль пылевидных и глинистых частиц в структурообразовании цементных композиций.
   В МГСУ на кафедре «Технологии вяжущих веществ и бетонов» на протяжении ряда лет проводятся исследования по разработке научно обоснованных технологических решений, позволяющих с использованием пылевидных отходов или материалов с высоким содержанием пылевидных и глинистых частиц (до 80 %) изготавливать эффективные ячеистые бетоны без автоклавной обработки [1–4].
   Известно, что достижение наибольшей прочности ячеистого бетона может быть достигнуто за счет исключения из вяжущей матрицы посторонних включений и продуктов новообразований с размерами, превышающими толщину каркаса и стенок газовых пор. Для этого целесообразно инертный наполнитель заменить на активный, позволяющий сократить расход цемента, способствующий уплотнению структуры и активно влияющий на физико-химические процессы, происходящие в твердеющей вяжущей композиции. В роли такого наполнителя могут выступать пылевидные отходы или материалы с высоким содержанием пылевидных и глинистых частиц, проявляющих активность при соответствующей обработке в специальных агрегатах, что создает предпосылки их эффективного использования в смешанных вяжущих композициях.
   Результаты радиологического анализа проб пылевидных отходов предприятий, использующих предварительную обработку песка – сушку, проведенные аккредитованной испытательной лабораторией, показали, что указанные материалы относятся к 1 классу (по ГОСТу 30108-94 «Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов», приложение А), что позволяет их использовать для всех видов строительства.
   Пылевидные и глинистые частицы в силу своей высокой дисперсности склонны к агрегированию в мелкие флокулы. В результате часть материала, находящаяся внутри флокулы остается незадействованной. Данное обстоятельство резко снижает качество затвердевшего камня с использованием отходов с пылевидными и глинистыми примесями. Поэтому для увеличения прочности, морозостойкости и других качественных показателей затвердевшего камня необходимо использование специальных технологических приемов для механохимической активации исследуемых рабочих смесей. Особый технологический прием позволит разрушить образовавшиеся микрогранулы из пылевидных и глинистых частиц; «раскрыть» их реакционную способность за счет образования промежуточных аморфных состояний на поверхности частиц, а именно оксида кремния и глинозема; избежать нежелательного комкования частиц отхода, а также снизить их высокую водопотребность. Подобная обработка способствует накоплению в бетонной смеси субмикрокристаллических коллоидных частиц, схватывание которых задерживается тончайшими пленками поверхностно-активных веществ (ПАВ) на поверхности твердой фазы, получаемых при механохимической активации.
   Эффективное сочетание основных принципов механохимии и современных представлений о механизме действия высокоэффективных ПАВ может привести к решению проблемы создания бетонов с использованием пылевидных отходов, содержащих глинистые частицы, с более высокими прочностью и однородностью.

   Для решения поставленной задачи была использована разработанная установка на экспериментально-производственной базе ЗАО «Антикорстрой», предназначенная для измельчения и активации тонкозернистых материалов. Данный агрегат при небольших размерах, высокой эксплуатационной надежности и низких удельных энергозатратах позволил обеспечить эффективное тонкое диспергирование глинистых минералов, а также оптимальную гомогенизацию смеси. Присутствие высокоэффективных пластификаторов при механохимической активации смеси компенсировало отрицательное воздействие глинистых частиц (высокую водопотребность, набухание в воде).
   Исследованиями с использованием методов ДТА, РФА и электронной микроскопии установлено, что в смесях, подвергнутых механохимической активации, происходит химическое взаимодействие между глинистыми минералами и гидратными новообразованиями смешанного вяжущего. В результате в условиях пониженной концентрации СаО в жидкой фазе наряду с высокоосновными образуются и низкоосновные гидросиликаты и гидроалюминаты кальция, преимущественно в мелкодисперсном виде в форме игл и волокон. Микроструктуры затвердевшего камня из рабочих смесей, прошедших механохимическую активацию и без нее, представлены на рис.1.
   По мере углубления процессов гидратации смешанного вяжущего активированные частицы пылевидного отхода взаимодействуют с гидроксидом кальция, что обусловливает синтез дополнительных порций гидросиликатов кальция. Процесс выделения гидросиликатов способствует дальнейшему уплотнению структуры и повышению прочности затвердевшего камня. Адсорбционная вода на глинистых частицах в процессе массопереноса проходит через активные центры негидратированных частиц цемента и тем самым создает благоприятные условия для более глубокой гидратации цемента. Таким образом, увеличение прочности образцов из смеси вяжущего и пылевидного отхода, подвергнутой механохимической активации, объясняется типом новообразований и характером структуры.
   Отличительной особенностью смеси, подвергнутой механохимической активации, является замедление процессов структурообразования в ранний период (в первые 6–12 ч.) с последующей интенсивной потерей тиксотропных свойств и преобладанием процессов кристаллизации.
   Механохимическая активация рабочих композиций позволила значительно облагородить поровую структуру матрицы ячеистого бетона – суммарная пористость матрицы активированных смесей уменьшилась в полтора раза. Максимум распределения капиллярных пор (рис.2) смещается в сторону более мелких пор (в интервале до 0,01 мкм) за счет разукрупнения опасных капиллярных пор, способных участвовать в миграции агрессивных сред в глубь затвердевшего камня, что является залогом повышения долговечности изделий из исследуемых смесей. Таким образом, механохимическая активация рабочих композиций с пылевидным отходом позволила повысить прочность межпоровых перегородок для обеспечения получения неавтоклавных ячеистых бетонов с требуемыми физико-механическими свойствами.
   Из рабочих смесей с пылевидным отходом, активированных по оптимальным режимам, получены неавтоклавные газобетоны средней плотностью от 400 до 900 кг/м3. Расход портландцемента в
   таких композициях составляет от 208 до 365 кг/м3 в зависимости от средней плотности ячеистого бетона. Сравнение показателей прочности на сжатие полученного неавтоклавного газобетона с нормативными требованиями по ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия» показало, что он отвечает нормативным требованиям и по своим прочностным показателям приближается к автоклавным ячеистым бетонам.
   Проведенные испытания образцов из неавтоклавного газобетона с использованием пылевидных отходов подтвердили его соответствие требованиям ГОСТ, что позволяет рекомендовать его для изготовления эффективных стеновых изделий.
   Разработанная технология изготовления стеновых блоков из неавтоклавного газобетона с использованием пылевидных отходов с высоким содержанием глинистых частиц позволяет решить важные проблемы:
   – экологическую – путем утилизации пылевидных отходов, снижения вредного влияния отвалов на прилегающие территории и убытки, наносимые при этом сельскому хозяйству;
   – экономическую – за счет исключения из состава газобетона кварцевого песка, сокращения затрат на строительство и эксплуатацию отвалов, уменьшения расхода энергии на формирование структуры и прочности материала без автоклавной обработки, снижения теплового загрязнения окружающей среды в результате использования отходящих газов при теплогазовой обработке изделий из газобетона.

Библиографический список:
   1. Чистов Ю.Д., Трескина Г.Е. Неавтоклавные бетоны плотной и ячеистой структуры на основе мелкодисперсных глиносодержащих отходов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. №7–8.1999.
   2. Чистов Ю.Д., Трескина Г.Е. Глиносодержащие отходы – сырье для неавтоклавных бетонов // Материалы науч.-практич. семинара «Проблемы и пути создания композиционных материалов и технологии комплексного извлечения металлов из вторичных минеральных ресурсов» / Под общ. ред. д.т.н., проф. С.И. Павленко. – Новокузнецк: СибГИУ, 2000.
   3. Трескина Г.Е. Чистов Ю.Д. Свойства ячеистых бетонов на основе глиносодержащих отходов // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции. Ч.II. – Пенза, 2001.
   4. Трескина Г.Е. Неавтоклавный газобетон с использованием пылевидных отходов сушки песка. Дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук.– М.: МГСУ, 2002.