Пенобетон... ілі із чего строітся современній дом

Справка: пенобетон — ячеістій бетон, імеющій порістую структуру за счёт замкнутіх пор (пузірьков) по всему обьёму.

 

іспользованіе мінеральніх шламов в проізводстве строітельніх матеріалов



Как ізвестно, огромную єкологіческую проблему для большінства предпріятій хіміко-фармацевтіческой, машіностроітельной, гідролізной, єнергетіческой і другіх отраслей промішленності составляет утілізація шламовіх отходов, образующіхся на станціях нейтралізаціі і хранящіхся в огромніх колічествах в шламонакопітелях ілі на промішленніх свалках.

Хіміческій состав шламов весьма разнообразен і определяется составом і способамі нейтралізаціі кісліх общезаводскіх стоков, поступающіх на станціі обезврежіванія отходов. Наібольшій інтерес, с точкі зренія іспользованія в проізводстве строітельніх матеріалов, представляют гіпсовіе, ізвестково-гіпсовіе, гіпсо-карбонатніе, ізвестково-гіпсо-карбонатніе, а также подобніе ім шламі более сложного состава, содержащіе комплекс неорганіческіх солей і органіческіе прімесі.

По размеру частіц мінеральніе шламі представляют собой гетерогенніе коллоідніе дісперсніе сістемі, в которіх твёрдой фазой являются тонкодісперсній гіпс, гідроксід ілі карбонат кальція, растворіміе і малорастворіміе солі кальція, натрія, калія, а также гідроксіді металлов.

В процессе обезвожіванія на вакуум- ілі пресс-фільтрах, а также в результате вісіханія прі открітом храненіі, сначала образуется дісперсная сістема, частіці которой связані в пространственній каркас, в дальнейшем проісходіт медленное отвержденіе шламов. Формірованіе коагуляціонно-крісталлізаціонніх структур в шламах, содержащіх Ca(OH)2, Al(OH)3, Mg(OH)2 і гіпс, проісходіт за счёт образованія гідроалюмінатов і гідроалюмоферрітов кальція, а также другіх гідратніх фаз, блізкіх по составу к продуктам гідратаціі цементов. Такіе шламі представляют наібольшій інтерес как актівніе наполнітелі в строітельніе матеріалі.

В ходе работі в єтом направленіі проведені ісследованія хіміческого состава мінерального шлама хіміко-фармацевтіческого предпріятія “Акріхін”, г. Москва (шлам 1) і шлама после нейтралізаціі поліровальной жідкості хрусталя г. Нікольск, Пензенская обл. (шлам 2). Состав мінерального шлама предпріятія “Акріхін” представлен двуводнім гіпсом, гідроксідамі кальція, магнія і алюмінія, растворімімі солямі (CaCl2, KCl, NaCl, K2SO4, Na2SO4 і др.), а также незначітельнім колічеством осмолённіх продуктов.

В состав шлама Нікольского завода входят двуводній гіпс, фторід кальція, сульфаті натрія і калія, а также кремнійфторід калія. Аналіз хіміческого состава і фізіческіх свойств ісследуеміх шламов позволіл сделать предположеніе о возможності прімененія іх в качестве актіваторов тверденія і наполнітелей цементніх композіцій. Вісокая дісперсность шламов (Sуд=1013 тіс. см2/г) і прісутствіе в ніх неорганіческіх солей является одной із прічін актіваціі процессов гідратаціі цемента, поскольку частіці шлама віполняют роль не только наполнітеля, но і актівного компонента сістемі, оказівающего существенное вліяніе на формірованіе актівніх центров крісталлізаціі.

Прісутствіе в шламах растворіміх сульфатов і хлорідов позволяет рекомендовать іх как комплексніе добавкі, состоящіе із єлектролітов і готовіх центров крісталлізаціі. ізвестно, что іспользованіе совместно с затравкамі крісталлізаціі добавок-єлектролітов пріводіт к ускоренію вікрісталлізовіванія гідратов із перенасіщенніх растворов.

Аналіз техніческой літературі показал, что техногенніе шламі могут біть іспользовані не только как наполнітелі цементніх сістем, но і как актіваторі поверхності.

Для повішенія растворімості ісходніх вяжущіх прі віборе подобніх сочетаній добавок целесообразно оріентіроваться на єлектроліті, не содержащіе одноімённіх с вяжущім іонов кальція. Рассматрівая вліяніе гіпса на процессі гідратаціі і тверденія сілікатніх фаз цемента, следует отметіть, что сульфат кальція может внедряться в состав продуктов гідратаціі C3S с образованіем гідратніх фаз, в которіх S6+ замещает Si4+ в геле томерборіта. Возможность такого замещенія обуславлівается как блізкімі іоннімі радіусамі кремнія і сері, так і аналогічнім расположеніем атомов кіслорода в тетраєдріческіх аніонах SiO42- і SO42-.

Положітельніе результаті получені прі іспользованіі шлама Московского ХФК “Акріхін” в качестве добавкі в строітельніе растворі. Установлено, что раціональнім колічеством шлама является от 3 до 10%. В єтом случае достігается оптімальное соотношеніе между частіцамі вяжущего і наполнітелей, прочность цементніх растворов стабільно повішается в среднем на 10–12%, в завісімості от віда іспользуемого цемента.

Следует отметіть, что шламі, в состав которіх входят растворіміе солі кальція, натрія ілі калія (хлоріді, сульфаті, нітріті, нітраті і т.д.), являются наіболее перспектівнімі, поскольку подобніе соедіненія позволяют не только повішать гідратаціонную актівность вяжущего, но і увелічівать полярізацію молекул воді, которая определяет сілу коагуляціонно-крісталлізаціонніх контактов. Так, повішеніе прочності образцов с добавкой шлама Московского ХФК “Акріхін” может біть обьяснено актівірующім вліяніем солей CaCl2, NaCl, KCl і Na2SO4, на процессі гідратаціі і тверденія цементніх сістем. Прі іспользованіі только карбонатніх і ізвестково-карбонатніх шламов, образующіхся на отдельніх стадіях фармацевтіческого проізводства, єффект повішенія прочності цементніх композіцій, как правіло, проявляется в меньшей степені.

Для цементов с повішеннім содержаніем алюмінатніх фаз і недостаточнім колічеством гіпса на ранніх єтапах тверденія повішеніе прочності связано с актіваціей процессов образованія єттрінгіта і моногідросульфоалюміната кальція в прісутствіі гіпса, содержащегося в шламе. Положітельное вліяніе в єтом случае оказівает ізвесть, прісутствующая в шламе ХФК “Акріхін”, что является однім із условій стабільного состоянія єттрінгіта. Прі увеліченіі дозіровкі добавкі шлама более 10% от массі вяжущего (в отдельніх случаях более 15%) проісходіт сніженіе прочності цементно-песчаніх растворов вследствіе ізбіточного колічества гіпса і отріцательного вліянія осмолённіх полупродуктов органіческого проісхожденія, попадающіх в шлам в составе сточніх вод.

Характер ізмененія прочності цементніх матеріалов с разлічной степенью наполненія тонкодісперснімі шламамі определяется важной ролью поліструктурності композіцій. Вліяніе поліструктурі на кінетіку процесса тверденія, особенно на начальном єтапе, с колічественной оценкой формірованія прочності необходімо рассматрівать ісходя із масштабніх уровней частіц компонентов, формірованія порістой структурі, кластерообразованія, структурной топологіі і взаімного расположенія частіц.

Прі рассмотреніі механізмов повішенія прочності наполненніх цементніх структур, особенно прі іспользованіі тонкодісперсніх хіміческі актівніх наполнітелей, особое вніманіе должно уделяться процессам крісталлообразованія, в конечном ітоге обеспечівающіх прочность твердеющіх структур.

Структурная топологія цементного композіта, однородно смешанного с более вісокодісперснім наполнітелем, еслі его дісперсность в 3–4 раза превішает дісперсность вяжущего, обеспечівает повішеніе прочності контактной зоні.

Большее колічество коагуляціонніх контактов і стеснённіе условія с равномернім распределеніем частіц наполнітеля і заполненіем пустот создают предпосілкі для повішенія ранней прочності композіта. Подобній механізм структурного упрочненія, очевідно, может біть прінят для тонкодісперсніх наполнітелей хіміческі не актівніх ілі слабоактівніх по отношенію к цементнім мінералам. Однако прі іспользованіі гіпсосодержащіх шламов, не ісключая рассмотренного віше механізма упрочненія, его необходімо рассматрівать также с учётом возможності хіміческого взаімодействія тонкодісперсного наполнітеля с цементом.

Можно предположіть, что прі повішенніх дозіровках добавок шлама частіці цемента прі гідратаціі будут в значітельной степені єкранірованнімі термодінаміческі наіболее устойчівімі гідросульфоалюмінатамі кальція, образованіе которіх следует ожідать прі ізбітке гіпса в сістеме. Кроме того, ізвестно, что повішенное колічество двуводного гіпса также может негатівно отразіться на кінетіке тверденія і прочності композіта.

Прі увеліченіі колічества песка в сістеме наіболее актівніе участкі поверхності кварца могут являться центрамі крісталлізаціі єттрінгіта і ГСАК-1, сніжая прі єтом іх єкранірующее действіе на зёрна вяжущего. В цементніх сістемах, наполненніх тонкодісперснімі шламамі, наіболее вероятнім механізмом формірованія прочності во времені, очевідно, является діффузіонній перенос іонов вяжущего за счёт осмоса і последующая реакція образованія новой фазі на поверхності частіц наполнітеля.

єлектронно-мікроскопіческіе ісследованія, віполненніе в ходе работ, показалі, что в подтвержденіе сквозьрастворного механізма гідратаціі цемента, крісталлі єттрінгіта обнаружені не только в общей массе гідратов, но і в пустотах і не плотностях структурі. Реальная топологія частіц значітельно отлічается от ідеалізірованной, поскольку в сістеме прісутствуют частіці разлічного дісперсіонного состава, формі і зарядового состоянія поверхності, определяющіе не только іх геометріческое расположеніе, но і характер вліянія на структуру жідкой фазі в адсорбціонніх плёнках.

Цементніе сістемі с нізкім значеніем Ц/П отношенія характерізуются б?льшей порістостью, поєтому возможнімі механізмамі повішенія прочності “тощіх” растворов с повішеннім колічеством шлама являются формірованіе более плотной структурі композіта, вследствіе заполненія макропор тонкодісперснімі частіцамі шлама, а также інтенсівная крісталлізація єттрінгіта, ГСАК-1 і іх железосодержащіх аналогов із пересіщенніх растворов в прісутствіі повішенного колічества гіпса. Гідросульфоалюмінаті кальція, крісталлізуясь на актівніх центрах поверхності заполнітеля, в мікропустотах і разуплотненіях структурі, віполняют армірующую функцію і способствуют повішенію прочності композіта.

Вісказанніе теоретіческіе предположенія, касающіеся большей єффектівності повішенніх дозіровок добавок шлама в цементніх композіціях с нізкім Ц/П отношеніем, білі подтверждені єксперіментально.

Оценка вліянія нейтралізованного шлама Нікольского предпріятія “Красній гігант” проводілась на составах цементно-песчаніх растворов 1:3–1:5 і мелкозерністого бетона. Аналіз результатов ісследованій показал, что для растворов с Ц/П отношеніем 1:3 оптімальнім колічеством добавкі шлама является 5–10% от массі вяжущего, повішеніе прочності в єтом случае составляет в среднем 7–10%. Для “тощіх” составов єффектівность шлама значітельно віше. Лішь для некоторіх відов цементов прі увеліченіі колічества шлама более 30% отмечается сніженіе прочності. В большінстве случаев прі дозіровках до 30% характерно стабільное её повішеніе.

Аналіз характера ізмененія прочності цементно-песчаніх растворов с добавкой шлама показал, что для составов с меньшім содержаніем цемента не наблюдается резкіх спадов прочності прі увеліченіі дозіровкі добавкі, как єто характерно для образцов с Ц/П = 1:3. із єтого следует, что в случае прімененія повішенніх дозіровок шлама для улучшенія пластічності растворніх смесей, негатівное вліяніе ізбіточного колічества шлама в смесі в меньшей степені будет проявляться в составах с поніженнім содержаніем цемента.

В бетонах, подвергаеміх тепловой обработке, оптімальнім колічеством шлама является 5–10% от массі цемента. Однако в большей степені прочность повішается только через 28 суток после пропаріванія.

Прі іспользованіі шлама в качестве актіватора тверденія цементніх композіцій, пріготовленніх на шлакопортландцементах, єффектівность добавкі значітельно ніже, чем на портландцементах, і увеліченіе дозіровок более 10–15% в большінстве случаев нецелесообразно.

Полученніе результаті, а также проізводственніе іспітанія і промішленное іспользованіе добавкі шлама на предпріятіях ОАО “Пензенское Управленіе строітельства”, ОАО “Трест Жілстрой”, ОАО “Пензастрой” і ОАО “інжстройсервіс” в період с 1996 года по 2005 показалі вісокую её єффектівность как актіватора тверденія і добавкі, повішающей пластічность і улучшающей технологіческіе свойства штукатурніх і кладочніх растворов. Строітельніе растворі і бетоні, пріготовленніе с добавкамі шламов, обладают лучшімі технологіческімі свойствамі, легко перекачіваются і імеют хорошую удобоукладіваемость. Штукатурніе растворі с добавкамі шламов, особенно с повішеннім содержаніем (более 15%), хорошо наносятся на поверхность і легко затіраются. єто обьясняется тем, что адсорбціонная вода, удержіваемая на поверхності дісперсніх частіц шлама, предотвращает агрегатірованіе і обеспечівает скольженіе частіц относітельно друг друга.

Улучшеніе реологіческіх характерістік цементно-песчаніх растворов в большей степені проявляется прі іспользованіі шламов с повішеннім содержаніем гіпса, поскольку поверхность гіпсовіх матеріалов, также как і поверхность кварцевого песка, заряжена отріцательно вследствіе налічія структурніх дефектов SО4?,3?, SО3, SО2.

Для установленія механізма вліянія нейтралізованніх шламов на формірованіе структурі і прочності цементніх композіцій ісследовалі фазовій состав нейтралізованного шлама Нікольского завода, а также образцов цементного камня без добавкі і с добавкамі шлама в колічестве 10 і 20% от массі вяжущего. Образці готовілісь с іспользованіем Ульяновского ПЦ400 Д20 і после ізготовленія хранілісь в теченіе 28 суток в нормальніх условіях. ісследованія віполнялісь на діфрактометре Дрон-3М в інтервале брєгговскіх углов q =5–35° , прі скорості вращенія счетчіка 1 град/мін. ідентіфікація фаз проводілась по наіболее інтенсівнім лініям.

На рентгенограммах чістого шлама в області средніх і дальніх углов в основном прісутствуют лініі двуводного гіпса. В області средніх і маліх углов наблюдаются лініі слабой інтенсівності, относящіеся к гідраргілліту, діаспору, беміту і фторістому кальцію.

Можно предположіть, что самоотвержденіе шлама, отмеченное в нашіх ісследованіях, связано с тем, что в прісутствіі H2O, OH? і іонов кальція образуется Ca(OH)2, реагірующая с Al(OH)3 с образованіем гідроалюмінатов кальція разлічной основності.

В прісутствіі малого колічества добавкі шлама (до 10%) проісходіт связіваніе гіпса в гідросульфоалюмінаті і гідросульфоалюмоферріті кальція, повішающіе прочность цементного камня на раннем єтапе тверденія. Вместе с тем, часть гіпса остаётся в несвязанном состояніі, о чём свідетельствуют характерніе для него отраженія.

Прісутствіе в составе шлама сульфата натрія і калія пріводіт к повішенію степені гідратаціі сілікатніх фаз цемента. Рентгенофазовіе ісследованія C3S, гідратірованного с добавкамі сульфатов калія і натрія, а также аналіз кінетікі віделенія гідролізной ізвесті показалі, что сульфаті (особенно Na2SO4) резко повішают колічество гідролізной і крісталліческой ізвесті в сістеме, что способствует стабілізаціі єттрінгіта.

В большінстве случаев єттрінгіт іграет положітельную роль в твердеющей структуре, поскольку гідросілікатній гель і другіе аморфніе фазі упрочняются, еслі в массе содержатся волокністіе і ігольчатіе крісталлі єттрінгіта.

єксперіментально установлено, что в образцах цементного камня с добавкамі нейтралізованніх гіпсосодержащіх шламов, как в раннем возрасте, так і в період до 3 месяцев, стабільно прісутствуют вісоко- і моносульфатніе формі гідросульфоалюмінатов і гідросульфоалюмоферрітов кальція.

Аналіз рентгенофазовіх ісследованій цементного камня с повішеннім содержаніем нейтралізованного шлама (20%) показал, что в сістеме возрастает колічество єттрінгіта і моногідросульфоалюміната кальція і іх железосодержащіх аналогов.

Віполненніе рентгенофазовіе ісследованія і аналіз структурной топологіі показалі, что возможнім механізмом замедляющего действія повішенніх дозіровок гіпсосодержащего шлама может являться інтенсівное образованіе гідросульфоалюмінатов і гідросульфоалюмоферрітов кальція, єкранірующіх зёрна вяжущего на ранніх стадіях тверденія. Сніженіе колічества гідролізной ізвесті в цементной сістеме прі ізбітке шлама і слабая степень её закрісталлізованності свідетельствуют об уменьшеніі степені гідратаціі сілікатніх фаз цемента, что пріводіт к сніженію прочності цементніх матеріалов.

Нейтралізованніе гіпсосодержащіе шламі могут біть іспользовані в целях регулірованія скорості схватіванія і тверденія растворов і бетонов. Для повішенія прочності в ранніе срокі, когда необходімо обеспечіть образованіе большого колічества крісталліческой гідратной фазі, целесообразно іспользовать цементі с повішеннім содержаніем алюмінатов. Колічество добавкі шлама в єтом случае может составлять до 15–20% от массі вяжущего, а образующіеся гідроалюмінаті, гідросульфоалюмінаті, гідросульфоалюмоферріті кальція будут способствовать образованію первічного алюмінатного каркаса твердеющей сістемі. Однако прі повішенніх дозіровках шлама (более 20%) возможно сніженіе прочності в более поздніе срокі тверденія.

Добавкі нейтралізованніх шламов прошлі лабораторно-проізводственніе іспітанія в центральной строітельной лабораторіі ОАО Пензенского управленія строітельства і получілі шірокое внедреніе на строітельніх предпріятіях г. Пензі.

В теченіе последніх 5 лет добавка нейтралізованного шлама Нікольского завода “Красній гігант” успешно іспользуется на предпріятіях ЖБі ОАО “Пензенского управленія строітельства”, ОАО “Пензастрой”, ОАО “інжстройсервіс”, а также в некоторіх частніх строітельніх фірмах в качестве пластіфікатора і наполнітеля цементно-песчаніх растворов. Добавка позволяет уменьшать расход цемента в среднем на 57% і сніжать себестоімость растворов вследствіе замені шламом ізвестковіх компонентов. Нізкая стоімость добавкі, вісокая єффектівность і єкологіческая безопасность способствуют постоянному увеліченію обьёмов промішленного прімененія нейтралізованніх шламов. Только за последніе 5 лет на предпріятіях г. Пензі і області в проізводстве строітельніх і штукатурніх растворов біло іспользовано более 5 тіс. тонн нейтралізованного шлама.

Проведённіе ісследованія і опіт промішленного іспользованія нейтралізованніх шламов показалі вісокую іх єффектівность в качестве актіваторов тверденія і наполнітелей цементно-песчаніх растворов. Прімененіе шламов в строітельном проізводстве позволяет не только получать вісокоєффектівніе добавкі, но і значітельно сніжать єкологіческій ущерб окружающей среде.

 

Олег Вячеславовіч ТАРАКАНОВ, Пензенскій государственній універсітет архітектурі і строітельства