CC BY
28
СИЛИКАТ-НАТРИЕВЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВЯЖУЩИЕ ИЗ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЖАРОСТОЙКИХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Мантуров З.А., Тотурбиев А.Б.
Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала
Крупным источником сырьевых ресурсов в производстве строительных материалов являются отходы различных отраслей народного хозяйства. Неиспользуемые отходы промышленности наносят большой ущерб окружающей среде. Вместе с тем, отходы ряда отраслей являются значительным источником сырьевых ресурсов для изготовления многих видов вяжущих и строительных материалов различного назначения. Их использование не только благоприятно сказывается на экологической обстановке, но позволяет снизить до 30% затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с использованием для этих целей природного сырья.
Таким образом, утилизация многотоннажных отходов различных отраслей народного хозяйства в производстве строительных материалов является важной проблемой, решение которой позволит обеспечить строительный комплекс богатейшим источником дешевого, зачастую уже подготовленного сырья, создает реальные предпосылки для экономии топливно-энергетических затрат и сокращения капиталовложений.
Поэтому, поиск новых эффективных путей вовлечения промышленных отходов в производство строительных материалов остается, несомненно, актуальной задачей.
Высокая энергоемкость клинкерных вяжущих и большие капитальные вложения в их производство диктуют острую необходимость разработки и реализации для производства легких бетонов новых эффективных вяжущих и, прежде всего, бесцементных.
К таким вяжущим, как показали исследования, проводимые в Дагестанском государственном техническом университете в течении ряда лет, относятся силикат-натриевые композиционные вяжущие на основе безводных силикатов натрия, калия и различных тонкомолотых добавок [3, 4].
Формирование структуры тонкоизмельченной силикат-натриевой композиции складывается из таких двух сложных процессов как придание вяжущих свойств силикат-натриевой композиции путем обводнения силикат-натриевого составляющего непосредственно в композиции и упрочнения полученной жидкостекольной композиции обезвоживанием, т.е. дегидратацией водного раствора силиката под действием тепла.
В настоящей статье изложены технология и опыт получения композиционных вяжущих с использованием натриево-калиевых силикатов (силикат-глыба) в качестве основного цементирующего компонента, а также пемзошлака, ваграночного и топливного шлаков, пылевидной золы в качестве наполнителей (добавок).
Силикат-глыба имела силикатный модуль равный 2,9 и следующий химический состав, % по массе: SÍO2 - 70,90; Na2Ü - 19,99; К2О - 8,60; А^Оз - 0,20; Fe2Ü3 - 0,17; СаО - 0,10; п.п.п. - 0,19.
Шлаковая пемза - материал, получаемый поризацией шлаков металлургического и химического производства. Используемая в работе пемза содержала следующие оксиды, % по массе: SÍO2 - 38,56; СаО - 34,71; МпО - 0,84; Бе2Оз - 0,27; А^Оз - 12,15, MgO - 10,30; SO3 - 0,62; ТЮ2 - 1,10; К2О - 1,42; Na2O - 1,13. По химическому составу
она относится к среднекальциевым (20<СаО<45%). Известно, что среднекальциевые и высококальциевые (СаО>45% ) шлаки, в первую очередь, целесообразно использовать в качестве сырья для производства вяжущих, а низкокальциевые (Са0<20%) и сверхкислые шлаки, главным образом, в качестве активных заполнителей в легких бетонах.
Ваграночный шлак - отход плавильного производства машиностроительного завода, имел следующий химический состав, % по массе: SiO2 - 40...46; СаО - 28...37; Fe2Oз - 1,2...2,8; М2О3- 11,5 .17,3; ^ - 1,5...3,5; Na2O - 3,8...5,0. При температурах до 90 °С он почти инертен, самостоятельными вяжущими свойствами не обладает.
Топливные шлаки и пылевидная зола (зола-унос) образуются при сжигании твердого топлива. Их усредненный химический состав, % по мacce: SiO2 - 50,0; А12О3 -22,5; MgO - 0,7; СаО - 3,6; Fe2Oз - 14,3; SOз - 1,5; ВД - 5; Na2O - 2,4; п.п.п. - 15...22. Удельная поверхность использованной партии составляла 2100...2450 см /г.
Вяжущие в данной работе получали, используя композиции, состоящие из силикат-глыбы и тонкомолотых добавок (ваграночный шлак, пемзошлак, зола-унос, топливный шлак), характеристика которых дана выше. Результаты испытаний образцов размером 5x5x5 см, изготовленных из композиций различного состава и подверженных тепловой обработке по режиму: подъем температуры от 20 до 90 °С - 1,5 ч.; выдержка при температуре 90± 5 °С - 2,5 ч.; подъем температуры до 200 °С -1 ч.; выдержка при температуре 200± 5 °С -2 ч. приведены на рис.1. Как видно из этого рисунка, максимум прочности исследуемых вяжущих достигается при 20...30% содержании силикат-глыбы. Снижение прочности образцов при дальнейшем увеличении её содержания объясняется рядом причин и, прежде всего, тем, что обводненный и затем высушенный силикат натрия менее прочен, чем наполнитель. Кроме того, на растворение большого количества силиката расходуется много воды. Это является причиной того, что при нагревании образцов до 150...200 °С они вспучивались, давая значительный (до 20% и более) прирост объема, т.е. происходил переход из контактного в объемное омоноличивание.
10 20 30 40
Содержание силикат-глыбы, %
Наполнители: I - ваграночный шлак; 2 - пемзошлак;
3 - зола-унос; 4 - топливный шлак. Рис. 1. Зависимость прочности при сжатии композиционных вяжущих от содержания силикат-глыбы
Следовательно, можно рекомендовать для всех исследованных видов наполнителей предельное содержание силикат-глыбы в вяжущем 20...30% в зависимости от вида тонкомолотого наполнителя. При этом композиционные вяжущие имеют довольно высокую прочность - 20...35 МПа. При таком содержании силикат-глыбы в вяжущем возникает предельное число клеевых контактов с сохранением контактного омоноличивания.
Наилучший эффект распределения частиц силикат-глыбы и наполнителя достигается при их совместном помоле до удельной поверхности 2500 - 3000 см2/г. В связи с чем зола-унос является наиболее экономически выгодным наполнителем (добавкой), т.к. затраты на её помол исключаются или являются минимальными. Поэтому для дальнейших исследований нами выбран указанный выше наполнитель (зола-унос). Это связано также и тем, что зависимости основных свойств вяжущих композиций из промышленных отходов от исследуемых факторов имеют одинаковый характер.
Зависимость прочности и плотности образцов из натриево-калиевого композиционного вяжущего (зола-унос - 80%, силикат-глыба -20%) от водовяжущего отношения (В/В) приведена на рис.2, из которого следует, что оптимальным является В/В = 0,18 ...0,20.
Исследована также зависимость прочности исследуемого композиционного вяжущего от тонкости помола (рис.3). Оптимальной, как видно из этого рисунка, является тонкость помола 3000...3500 см /г. Для достижения тонкости помола свыше 4200 см /г, при которой продолжается рост прочности, требуются большие энергетические затраты.
Для отработки оптимального режима твердения вяжущего рационального состава (80% золы-уноса и 20% силикат-глыбы) были изготовлены образцы размером 5х5х5см и подвергнуты термообработке в течение 6 часов по режимам, приведенным в таблице 1.
Таблица 1
Результаты испытаний образцов по различным режимам сушки
№ ре жима Режим сушки, °С/час Прочность при сжатии, МПа
образец 1 образец 2 образец 3 среднее
1. 100/1 + 200/5 20.4 20.8 20.6 20.6
2. 100/2 + 200/4 22.1 22.4 22.1 22.2
3. 100/3 + 200/3 30.4 29.7 29.9 30.0
4. 100/4 + 200/2 38.6 39.4 40.8 39.6
5. 200/6 21.7 22.2 22.4 22.1
Полученные результаты свидетельствуют, что максимальная прочность достигается по режиму сушки №4(100/4 + 200/2). Видимо изотермическая выдержка в течение 4 часов при 100 °С способствует более полному переходу силикат-глыбы в жидкое стекло и протеканию дальнейших процессов коагулирования и структурообразования геля кремниевой кислоты.
Техническая характеристика разработанных композиционных вяжущих приведена в таблице 2.
Таблица 2
Вестник ДГТУ. Технические науки. №12, 2007 А-
Вид композиционного вяжущего состава 80:20 Насыпная плотность, кг/м3 Плотность образцов после сушки при 200 °С, кг/м3 Прочность после сушки при 200 °С, МПа Коэффициент размягчения после 3 суток в воде
Пемзошлак: силикат-глыба 900-1000 1400-1500 26.0-30.0 0.85-0.9
Зола-унос: силикат-глыба 1050 1700 30.0 0.85-0.9
Ваграночный шлак: силикат-глыба 1100 1800 26.0 0.75-0.8
Топливный шлак: силикат-глыба 1200 1800-1900 35.0 0.8-0.9
Достаточно высокие физико-механические свойства разработанных
композиционных вяжущих (см. табл.2) позволяет сделать предположение о
возможности получить на их основе различные жаростойкие безобжиговые теплоизоляционные материалы.
со 5 С
Л Е-О О
Ж
£-О Ч С
1.&
1.4-
1.2
1.0
го
Л
о
р.
40
30
20
10
I
2 >
0.1
I -
0.15 0.2 0,25 0,3
0,35
Водовяжущее отношение плотность; 2 - прочность при сжатии
Рис. 2. Зависимость прочности при сжатии и плотности образцов из композиционного вяжущего от водовяжущего отношения
2000 2500 3000 3500 4000 5000
Удельная поверхность, см^/г Соотношение золы-уноса и силикат-глыбы: I - 80:20; 2 - 70:3.
Рис. 3. Зависимость прочности при сжатии композиционного вяжущего от
тонкости помола
Библиографический список:
1. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. - М.: Высш. шк.; 1989. - 384 с.
2. Спирин Ю.Л., Алехин Ю.А., Глушнев С.В. Использование зол, шлаков ТЭС и отходов угледобычи и углепереработки в производстве строительных материалов. М. ВНИИЭСМ, 1984, Серия 11, выпуск 2.
3. Тотурбиев Б.Д. Строительные материалы на силикат-натриевых композициях. -М.: Стройиздат, 1988.
4. Тотурбиев Б.Д. Получение перлитовых теплоизоляционных материалов по энергосберегающей технологии. Промышленное строительство, 1985, №5.
