Гипсошлаковые композиции из отходов промышленности в строительных технологиях Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.91

Р.Н. МИРСАЕВ, канд. техн. наук, ОАО «Полиэф» (Уфа);

И.И. АХМАДУЛИНА, инженер, Управление капитального строительства

Республики Башкортостан; В.В. БАБКОВ, И.В. НЕДОСЕКО, доктора техн. наук,

A.Р. ГАИТОВА, инженер, Уфимский государственный нефтяной технический университет;

B.В. КУЗЬМИН, канд. техн. наук, Самарский государственный архитектурно-строительный университет

Гипсошлаковые композиции из отходов промышленности в строительных технологиях

Промышленность строительных материалов Республики Башкортостан и смежных регионов ежегодно потребляет сотни тысяч тонн доменных гранулированных шлаков Магнитогорского, Нижнетагильского, Ашин-ского и Белорецкого металлургических комбинатов в традиционной технологии производства шлакопортланд-цемента. Данные шлаки, относящиеся большей частью к нейтральным и слабокислым (усредненный химический и фазовый составы приведены в табл. 1, 2), могут быть с большей эффективностью использованы при по-

48

44

40

36

32

28

24

20

16

_0_ 100

20 80

40 60

60 40

80 20

100 0

Шлак/известьсодержащий отход, %

Рис. 1. Зависимости прочности образцов шлаковых вяжущих нормаль-но-влажностных условий твердения на основе Магнитогорского доменного гранулированного шлака от содержания в сырьевой смеси отходов-активаторов: 1 - ИШВ на бездобавочной гашеной извести (акт. СаО+МдО=59%) при удельной поверхности S=3500 см2/г; 2 - то же, на известьсодержащем отходе МОГ, акт. CaO+MgO=35%; 3 - то же, на МОГ, акт. CaO + MgO = 23%; 4 - то же, на ТОС, акт. CaO + MgO = 7%; 5 - СВШ составов Ш : ФГ : МОГ - (50-83) : (45-12) : 5% при S=3500см2/г; 6 - тоже, S=4500 см2/г; 7 - тоже, S=5800 см2/г

лучении низкоэнергоемких безобжиговых известково-шлаковых (ИШВ) и сульфатно-шлаковых (СШВ) вяжущих с применением в качестве активаторов твердения известьсодержащих и сульфатосодержащих отходов ряда предприятий химической промышленности [1]. Усредненный химический состав известьсодержащих и сульфатных отходов приведен в табл. 3, 4.

В технологии производства ИШВ представляет значительный интерес замена дорогостоящей извести из-вестьсодержащими отходами. В частности, на ОАО «Сода» (г. Стерлитамак, РБ) имеются значительные накопления многотоннажных дисперсных отходов с содержанием гидроксида кальция в пределах 5—35% (табл. 3). Это прежде всего твердые остатки содового производства (ТОС), мелкие остатки гашения извести (МОГ) и цементная пыль (ЦП).

При смешивании отхода со шлаком наряду с активатором — известью в состав сырьевой смеси вносится определенное количество инертной фазы — наполнителя (карбонаты или др.), что снижает активность вяжущего. Поэтому повышение содержания известьсодер-жащего отхода в составе сырьевой смеси до достижения оптимальной концентрации извести, с одной стороны, содействует повышению активности получаемого смешанного вяжущего, а с другой — торможению прироста прочности из-за неизбежного повышения концентрации вносимой инертной фазы. Следовательно, для каждого из названных отходов необходимо определение их оптимальных концентраций в составе вяжущей композиции в зависимости от требуемой марочности.

Экспериментальные исследования показывают, что при использовании достаточно богатых по содержанию извести (25—35%) мелких остатков гашения извести (ОАО «Сода») при их содержании в сырьевой смеси до 40—50% и помоле вяжущего до 8уд = 3500 см2/г получается ИШВ с прочностью при сжатии до 15—25 МПа. Результаты достигнуты при испытании стандартных образцов (балочки 4x4x16 см) при нормально-влажност-ных условиях твердения (рис. 1, кривые 2, 3).

Применительно к низкоконцентрированным по извести дисперсным отходам (ЦП, ТОС) СШВ являются более предпочтительным вариантом вяжущего по сравнению с ИШВ, так как в состав СШВ известь входит в достаточно малой концентрации (до 1—2% по СаОакт) и достижение данной концентрации (в отличие от ИШВ) не сочетается с внесением большого количества инертной фазы отхода. При этом оптимальная концентрация сульфатного компонента в составах СШВ должна определяться тем, что, во-первых, сульфата кальция должно быть достаточно для максимального связывания содержащихся в составе шлака алюминатов, а во-вторых, его

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (Q-j*jjсу,rfSj\Ljj.jLjjS

4 июль 2010 *

а) цементная пыль - 10%

б) известь - 2%

50

45 ё 40

35

30

10 20 30 40 50 60 70 80 Концентрация фосфогипса, %

50

45 й 40

35

30

0,84

& 0,78

0,72

0,66

ф ф

10 20 30 40 50 60 70 80 Концентрация фосфогипса, %

0,6

В составе вяжущего использовался фосфогипс Мелеузовского химзавода с удельной поверхностью: а - 6000 см2/кг; б - 3000 см2/кг

в- 28 сут; Д - после ТВО; ■ - 7 сут

Рис. 2. Прочностные характеристики СШВ с повышенным содержанием сульфатного компонента при использовании шлака Нижнетагильского металлургического комбината (8=4000 см2/г)

0,54

0 12 3 4

Соотношение шлак:фосфогипс • - вяжущее с добавкой цементной пыли 10%; А- то же, с добавкой извести 2%

Рис. 3. Зависимости водостойкости цементного камня на основе СШВ от содержания нейтрализованного фосфогипса

не должно быть более необходимого количества для решения первой задачи, так как это обусловит повышение содержания инертной фазы в вяжущем и снизит его активность. Эксперименты показывают, что концентрация ЦП и ТОС составляет в сульфатно-шлаковых композициях оптимальных составов около 10%, а МОГ около 5% (рис. 1, кривые 5, 6). При этом следует отметить, что использование фосфогипса вместе с известьсодер-жащими отходами позволяет произвести эффективную нейтрализацию фосфогипса от кислых примесей (Р205, Б") уже на стадии приготовления вяжущего без дополнительных дорогостоящих технологических операций, связанных с промывкой и обезвоживанием фосфогип-са, необходимых при производстве на его основе гипсового вяжущего.

В изученных составах сульфатно-шлаковых вяжущих наиболее дорогостоящим компонентом является доменный гранулированный шлак, так как его получение связано с определенными затратами на строительство и эксплуатацию установок грануляции, не учитывая существенных затрат на помол гранулированного шлака как самого трудноразмалываемого ингредиента в составе вяжущего. Остальные компоненты вяжущего являются отходами сопутствующих производств, и соответственно затраты на их получение ничтожно малы и обусловлены только их транспортировкой к месту переработки. Поэтому, учитывая большую потребность строительной индустрии, связанную с постоянно возрастающими объемами строительства объектов малой и средней этажности, в дешевых вяжущих композициях низких и средних марок, имеется необходимость производства шлаковых вяжущих с пониженным содержанием доменного шлака и соответственно с повышенным

содержанием отходов производства, которые также необходимы в дорожном, сельскохозяйственном строительстве и ряде других областей [2]. При этом повышение содержания извести или известьсодержащих отходов в составах шлаковых вяжущих приводит к неизбежному ухудшению их свойств — спаду прочности, неравномерному изменению объема, низкой водостойкости и др., присущим вяжущим с повышенным содержанием извести. Таким образом, с технической точки зрения особый интерес представляют вяжущие с повышенным содержанием сульфатного компонента в составе сырьевой смеси, который в данном случае используется не только в качестве активатора, но и как наполнитель смешанного вяжущего.

Полученные результаты (рис. 2) свидетельствуют о возможности получения вяжущих М50—100 при содержании фосфогипса в его составе на уровне 50—75%. При этом следует отметить, что показатели водостойкости (рис. 3) данных вяжущих (Кр=0,6—0,7) значительно превосходят соответствующие показатели стандартных гипсовых и ангидритовых вяжущих, что позволяет рекомендовать их для использования в подстилающих слоях дорожных одежд, фундаментных и стеновых конструкциях, эксплуатирующихся при повышенной влажности окружающей среды.

С целью снижения капитальных и текущих затрат для производства изделий массового назначения интерес представляет применение способа полусухого прессования. Исследования показали, что прессование жестких смесей (В/Т = 0,15—0,2), содержащих 70—80% фосфогипса и 20—30% сульфатно-шлакового вяжущего, под давлением 5—20 МПа дает возможность получать стеновые и перегородочные изделия с преде-

Таблица 1

Шлаки Химический состав шлаков, мас.%

8Ю2 А12О3 СаО МдО 8О3 FeO Fе2Оз

Ашинский 37,2 10 33,4 16,05 0,78 0,47 -

Белорецкий 37 16 39,3 3 0,62 1 -

Магнитогорский 35,68 14,32 40,09 5,54 1,17 - 0,84

Нижнетагильский 36 13,6 36,9 7,2 0,6 0,8 -

Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

Ы -- - ® июль 2010 5

Таблица 2

Шлаки Модуль основности Модуль активности Коэффициент качества

Ашинский 0,98-1,2 0,2-0,39 1,23

Белорецкий 0,78-1 0,38-0,51 1,58

Магнитогорский 0,9-1,05 0,4-0,45 1,66

Нижнетагильский 0,97-1,27 0,3-0,42 1,6

Таблица 3

Отход ОАО «Сода» Содержание основных окислов, мас. % Активных СаО+МдО С1-

бЮ2 СаО МдО К2О +Ыа20 А12О3 ^203 БО3

Твердый остаток содового производства 5-12 40-50 1,8-2,6 0,2-1 2,8-4,7 1-3 1-5 5-12 3-12

Мелкие отходы гашения извести 2-4,5 58-62 1-2,5 0,15-0,25 2 1,3-4 2-3 22-35 0,3-0,5

Цементная пыль 13-15 42-45 2-3 1-1,5 3-6 2,5-4 0,7 6-7 0,3-0,5

Таблица 4

Продукт Химический состав сульфатных отходов, мас. %

бЮ2 А^ СаО 1"е2°3 БО3 Р2О5 Я2О5 МдО F-

Фосфогипс 0,39 0,12 36,4 0,08 51,92 1,52 0,42 0,15 0,48

Гипсовая мелочь АО «Сода» - 0,24 32 - 46,76 - 0,42 - -

Рис. 4. Общий вид установки РК-250 для прессования стеновых и перегородочных блоков на основе фосфогипса и шлакового вяжущего

Рис. 5. Процесс прессования блоков на гип-сошлаковой основе

Рис. 6. Отформованные гипсошлаковые блоки 90X190X390 мм

лом прочности при сжатии 5 МПа и более. Организация производства изделий на основе фосфогипса способом полусухого прессования не требует больших капитальных вложений, при этом возможно использование оборудования, выпускаемого отечественными предприятиями машиностроения для прессования грунтоблоков и других подобных изделий, а также применение простаивающих технологических линий на заводах по производству силикатного кирпича [3]. Технологический процесс производства отличается простотой и включает в себя дозирование исходных компонентов (фосфогипс с естественной влажностью, подсушенный фосфогипс, нейтрализующая добавка, шлаковое вяжущее), приготовление формовочной смеси и формование изделий в пресс-формах под давлением. Технология изготовления мелкоштучных стеновых изделий на сульфатно-шлаковой основе апробирована в Уфе (рис. 4, 5, 6) на установке РК-250 для формования грунтоблоков.

В настоящее время также возможно и целесообразно существенное увеличение выпуска стеновых изделий на гипсовой и гипсошлаковой основах на базе как природного сырья, так и промышленных отходов [4]. Кроме того, расширение производства низкомарочных изделий позволит оптимизировать структуру потребления стро-

ительных материалов и более рационально использовать высокомарочные изделия.

Ключевые слова: фосфогипс, гранулированные доменные шлаки, гипсошлаковые перегородочные блоки.

Список литературы

1. Бабков В.В., Комохов П.Г., Недосеко И.В. и др. Сульфатно-шлаковые вяжущие на основе сырья и отходов Урало-Башкирского региона // Цемент. 1993. №4. С. 40-42.

2. Бабков В.В., Недосеко И.В., Мирсаев Р.Н. Опыт производства и применения гипсовых вяжущих в Республике Башкортостан // Труды II Всероссийской конференции «Гипс и его применение». Уфа. 2003. С. 196-200.

3. Мирсаев Р.Н., Бабков В.В., Юнусова С.С., Недосеко И.В. Фосфогипсовые отходы химической промышленности в производстве стеновых изделий. М.: Химия,. 2004. 173 с.

4. Мирсаев Р.Н., Бабков В.В., Недосеко И.В., Печенки-на Т.В. Опыт производства и эксплуатации гипсовых стеновых изделий // Строит. материалы. 2008. №3. С. 78-81.

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал

6 июль 2010 *