Пенобетон на основе стеклобоя – решение проблемы утилизации техногенного отхода

  Одними из наиболее эффективных материалов для ограждающих конструкций современных зданий являются ячеистые бетоны. Объем их применения сравнительно невелик. Однако в последнее время преимущества таких бетонов становятся все более очевидными, особенно после некоторого разочарования в западных технологиях и материалах, которые не всегда можно использовать в сложных климатических условиях России. Многослойные стеновые панели и теплоизоляционные строительные системы, применяемые достаточно часто в современном строительстве, хотя и соответствуют повышенным требованиям по теплозащите зданий [1], но при этом имеют ряд существенных недостатков. Коэффициент однородности таких систем очень низкий, вопрос о хорошей совместной работе составляющих систему слоев под нагрузкой и при значительных перепадах температур остается открытым. Такие важнейшие показатели современного строительства как надежность и долговечность конструкций не всегда обеспечиваются при применении слоистых стен.
   В этой связи различные ячеистые бетоны имеют множество преимуществ как теплоизоляционные и теплоизоляционно-конструкционные материалы. К сожалению, получить ячеистые бетоны пониженной средней плотности для использования их в качестве эффективных теплоизоляционных материалов в настоящее время пока не удается. Многие производители заявляют в своих рекламных материалах среднюю плотность таких бетонов 300 кг/м3 и даже ниже, однако на практике в промышленных масштабах таких показателей добиться пока практически невозможно. Получаемые материалы имеют значительные усадки и очень низкую прочность.
   Хорошую конкуренцию органическим и минераловатным утеплителям могло бы составить только пеностекло, которое обладает уникальными свойствами, но производство которого так и не налажено должным образом после распада советской промышленности.
   В МГСУ, на кафедре «Технологии отделочных и изоляционных материалов» продолжаются работы по совершенствованию технологии новых видов конструкционных и изоляционных материалов с использованием в качестве основного сырья несортированного боя технических стекол. Особый интерес представляет пенобетон на основе стеклобоя. Основная задача исследований заключается в комплексном использовании техногенного отхода при производстве полезного продукта и в отказе от энергоемких технологий его производства.
   Несмотя на то, что объемы производства стекла за последнее десятилетие сократились примерно в три раза, использование стеклобоя снизилось всего на 25–30%, что свидетельствует о повышении интереса к его применению. Установлено, что содержание стекла в твердых бытовых отходах Москвы составляет 4–7%, а это порядка 50 тыс. тонн ежегодно. Из них на повторную переработку плавлением для пищевой промышленности идет около 20 тыс. тонн, а остальной бой, содержащий такие вредные элементы как свинец и фтор, захоранивается. Использование такого бросового стеклобоя для производства строительных материалов может принести большой экономический и экологический эффект.
   В основу исследований были положены закономерности растворения в воде аморфного кремнезема и его осаждения из раствора посредством процесса конденсационной полимеризации мономера кремниевой кислоты Si(OH)4 [2]. Известно, что изменяя температуру и величину рН среды, можно эффективно управлять этими процессами. Однако искусственные стекла по составу представляют собой сложные системы, содержащие ряд оксидов, таких как AL2O3, BaO, CaO, MgO; кинескопные стекла содержат также до 30% оксида свинца и до 13% оксида бария. Поэтому процесс структурообразования прочного камня из порошков стеклобоя, затворенных водой, представляется гораздо более сложным.
   Во время автоклавной обработки системы «порошок стеклобоя – вода – мелкий заполнитель из стеклобоя», позволяющей активно влиять на процессы растворения твердых компонентов и их осаждения из растворов путем изменения режимов автоклавирования, возникает множество труднорастворимых новообразований. За счет выщелачивания порошка стекла (при этом может использоваться только то стекло, которое содержит в своем составе не менее 15% щелочных оксидов, иначе прохождение реакций невозможно) в раствор переходят практически все компоненты, составляющие стекло в том или ином количестве. Сначала в раствор переходят оксиды щелочных металлов, создавая щелочную среду и повышая растворимость аморфного кремнезема. По мере повышения температуры и возрастания значения рН до 9 начинается активный процесс конденсационной полимеризации мономера кремниевой кислоты. При дальнейшем повышении величины рН активизируется ионизация Si(OH)4 и взаимодействие силикат-ионов с гидратированными ионами других компонентов стекла, перешедшими в раствор. По мере связывания щелочи в труднорастворимые соединения уменьшается значение рН среды, а снижение температуры (при сбросе давления) делает раствор пересыщенным в отношении Si(OH)4, изменяя условия его равновесия с твердым кремнеземом. Все это возобновляет интенсивное осаждение геля кремнезема на более крупные частицы нерастворившегося стекла через процесс конденсационной полимеризации [3].
   Более поздние исследования показали, что от автоклавной обработки можно отказаться, создав аналогичные условия протекания химических реакций при помощи растворимого гидросиликата натрия при температуре не выше 40...500С. Растворенное в воде до определенной концентрации жидкое стекло представляет собой щелочной раствор, который так необходим для повышения растворимости аморфного кремнезема с поверхности вводимого в систему порошка стеклобоя. При этом абсолютно не важно, какое стекло используется, то есть содержание в стекле щелочных оксидов не играет роли. Достаточно высокое значение рН активизирует ионизацию Si(OH)4, и происходит взаимодействие силикат-ионов с гидратированными ионами других компонентов стекла, перешедшими в раствор уже при температуре 350С. По мере растворения SiO2 и повышения концентрации в растворе, понижается рН среды и происходит реакция поликонденсации с образованием геля кремниевой кислоты, который скрепляет в монолит не полностью растворившиеся и крупные частицы стекла. Вследствие высокой степени агрегации полимерных частиц жидкое стекло все больше приближается к состоянию малой устойчивости –кремнеземистый модуль растет, переводя систему в водонерастворимое состояние. Это позволяет рассматривать тонкомолотый порошок стеклобоя как активного поставщика SiO2 в систему, обеспечивающего повышение кремнеземистого модуля жидкого стекла и тем самым решающего проблему водостойкости материала [4].
   Все это явилось основой для создания эффективного теплоизоляционного водостойкого и экологически чистого материала ячеистой структуры с пониженной средней плотностью на основе жидкого стекла и несортированного боя технических стекол. Прогрессивная технология «сухой минерализации пены» и отказ от энергоемкой автоклавной обработки позволяют получать изделия из ячеистого бетона на основе стеклобоя, предназначенные для устройства тепловой изоляции промышленных и гражданских зданий, а также промышленного оборудования и трубопроводов с температурой изолируемой поверхности до 6000 С и более [4].

   На кафедре разработана методика подбора состава пенобетона на основе стеклобоя, технологическая схема, включающая дробильно-помольное отделение, отделение приготовления формовочной массы, посты формования, тепловой обработки, выдержки и доводки изделий, распалубки и упаковки. Проведенные испытания полученного материала в соответствии с действующими ГОСТ показали, что ограждающие конструкции из ячеистого бетона на основе стеклобоя средней плотностью 400–900 кг/м3 не только не уступают по свойствам конструкциям на основе автоклавных цементных ячеистых бетонов, но и значительно превосходят их. Значения некоторых свойств пенобетонов на основе стеклобоя приведены в таблице. Надо отметить, что на основе стеклобоя также можно получать и плотные мелкозернистые бетоны, обладающие повышенными эксплуатационными характеристиками.
   Экономический эффект от капитальных вложений в промышленности строительных материалов может выявиться в сфере промышленного производства (в виде снижения себестоимости продукции и уменьшения удельных капиталовложений) и также в сфере применения продукции.
   Несомненным преимуществом полученного материала на основе стеклобоя является то, что его можно производить на действующих предприятиях стройиндустрии по производству пенобетонов без значительных капиталовложений. Экономическая эффективность определяется также возможностью экономии портландцемента, песка и крупного заполнителя. Необходимо также отметить, что цена стеклобоя будет меняться в зависимости от источника его поступления. Так цена чистого стеклобоя, закупаемого непосредственно на стекольных заводах, будет колебаться от 500 до 800 рублей за тонну и будет зависеть от поставщика, степени удаленности от стекольного завода и состояния рынка строительных материалов на данный момент. В том случае, если стеклобой автотранспортом поступает с мусороперерабатывающих заводов, необходимо учитывать расходы, связанные с очисткой стеклобоя и усреднением его состава. Проведенные расчеты показывают, что проблему переработки стекольных отходов в Москве и Московской области может решить один небольшой завод по производству пенобетонных изделий на основе стеклобоя производительностью 20 тыс. м3 в год. В случае его расположения в северном районе Московской области, в непосредственной близости от большинства мусороперерабатывающих заводов и свалок, себестоимость продукции будет составлять 700–900 руб. за 1 м3, что позволит составить конкуренцию выпускаемым пенобетонным изделиям, себестоимость которых на сегодняшний день 1000–1200 руб. за 1 м3.
   Таким образом, утилизация стеклобоя, большое количество которого имеется по всей территории России, позволит решить ряд производственных проблем и улучшить экологию промышленных регионов, а безотходные экологически чистые энергосберегающие технологии позволят получить существенный экономический эффект.

Библиографический список:
   1. СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника». – М., 1998.
   2. Айлер Р. Химия силикатов. М., Мир, 1982.
   3. Макеева Н.С., Горлов Ю.П., Зейфман М.И. Свойства автоклавных строительных материалов на основе вулканических
   стекол // Строительные материалы, №1, 1985.
   4. Зайцева Е.И. Поризованный теплоизоляционный материал на основе стеклобоя. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – М. , МГСУ, 1998.