Строительные материалы

Стройматериалы из отходов

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Добавки этой группы позволяют интенсифицировать производственные процессы и целенаправленно изменять свойства строительных материалов. Они вводятся в небольшом количестве (доза некоторых ПАВ составляет всего лишь несколько сотых или тысячных долей процента массы основного материала). Все технологические проявления добавок ПАВ обусловлены адсорбционным механизмом их действия и в наибольшей степени характерны для коллоидно-дисперсных систем. Добавки электролитов изменяют растворимость материалов, химически с ними взаимодействуют, служат центрами кристаллизации и т. д.

Гидрофилизующие ПАВ применяют для повышения подвижности растворных и бетонных смесей, разжижения сырьевых шламов, снижения влажности и улучшения формовочных свойств керамических масс.

К распространенным в производстве строительных материалов гидрофилизующим пластифицирующим ПАВ относятся технические лигносульфонаты (ЛСТ), поставляемые в виде различных концентратов. ЛСТ и близкие к ним химические отходы, главными компонентами которых являются соли лигносульфоновых кислот, молекуляр-но адсорбирующиеся сахара и другие активные лиофильные вещества, образуют на поверхности зерен цемента и других дисперсных материалов адсорбционные пленки. Наличие таких гидрофильных пленок способствует образованию вокруг частиц материала, адсорбирующего ПАВ, водных оболочек, препятствующих слипанию и выполняющих роль гидродинамической смазки.

Эффективность добавок ЛСТ проявляется на всех основных этапах технологии цемента и бетона. В течение многих лет ЛСТ используют для снижения влажности шлама, поступающего в клинкерооб-жигательные печи. Применением разжижающих добавок достигается высокая степень насыщения шлама твердым веществом без ухудшения его подвижности. Добавка ЛСТ в количестве 0,2—0,3% массы сухого сырья (в пересчете на сухое вещество) снижает влажность шлама на 2,5—3,5% и повышает производительность печей на 3—4%. Характерно, что ЛСТ и другие органические разжижители пластифицируют в основном карбонатную составляющую шламов. При гидротранспорте шлама с добавкой ЛСТ почти в 2 раза снижаются потери напора, условия забора шлама насосом улучшаются даже после длительных остановок. Близкими по механизму действия и эффективности к ЛСТ разжижителями шлама являются кожевенные стоки — отходы, содержащие 12—18% твердого остатка, в основном таннидов.

Вводя 0,1—0,3% ЛСТ и измельчая клинкер совместно с гипсом и минеральными добавками, получают пластифицированный портландцемент — один из наиболее эффективных видов портландцемента. Расплыв конуса при испытании на встряхивающем столике раствора на основе смеси этого цемента с нормальным (стандартным) песком состава 1:3 при В/Ц-—0,4 после 30 встряхиваний составляет не менее 135 мм.

В зависимости от поставленной цели и конкретной производственной ситуации высокая пластичность цемента может иметь следующие результаты:

—        снижение расхода цемента на 5—10% при неизменных удобо-укладываемости и водоцементном отношении бетонной смеси;

—        повышение прочности, морозо- и коррозионной стойкости и улучшение ряда других строительно-технических свойств бетонов и растворов за счет снижения водоцементного отношения при заданной удобоукладываемости смеси;

—        повышение подвижности, снижение трудоемкости и повышение качества укладки бетонных смесей.

Интенсивность твердения пластифицированного портландцемента при нормальных условиях практически такая же, как и у обычного; она может понижаться лишь при ускоренных режимах тепловлаж-ностной обработки и при неоптимальной дозировке ПАВ. Наиболее значительный пластифицирующий эффект добавки ЛСТ достигается в низкоалюминатных алитовых цементах. Для обеспечения нормальных сроков схватывания пластифицированного портландцемента в некоторых случаях нужно повысить содержание гипса.

Растворные и бетонные смеси наряду с применением специального пластифицированного портландцемента пластифицируются и непосредственно введением добавки ЛСТ и близких к ней ПАВ с водой зат-ворения. Пластифицирующее действие ЛСТ наиболее выражено в «жирных» многоцементных смесях, что обусловлено самим механизмом действия гидрофилизующих ПАВ.

Введение пластифицирующих ПАВ также улучшает формовочные свойства керамических масс, снижает их пластическую прочность и напряжение сдвига, интенсифицирует сушку изделий, устраняет деформационный брак свежесформованного сырца.

При применении технических лигносульфонатов как пластифицирующих добавок следует учитывать и их недостатки: нестабильность свойств; замедляющее влияние на процессы гидратации и твердения цемента; избыточное воздухововлечение в бетонную смесь, результатом чего является необходимость использования мягких режимов тепловой обработки с длительной (не менее 4 ч) предварительной выдержкой и медленным подъемом температуры.

Для приготовления пластификаторов повышенной эффективности (ППЭ) разработан ряд способов модификации ЛСТ: формальдегидом; добавкой каустической соды; отделением лигносульфонатов от сопутствующих компонентов с последующим их переводом в натриевое основание.

Получение ППЭ возможно при перемешивании водного раствора ЛСТ с цементом (добавка НИЛ-20) или золой-уносом с последующим отстоем и др. ( 4.11). В последнем случае компоненты ЛСТ, замедляющие твердение (редуцирующие вещества), адсорбируются на зернах цемента или золы-уноса и удаляются вместе с осадком. Этот метод модификации достаточно прост и предполагает использование недефицитного сырья. Снижение концентрации редуцирующих веществ позволяет увеличить содержание добавки до 0,6% массы цемента без снижения прочности бетона. Эффективность применения пластификатора возрастает с увеличением исходной подвижности бетонной смеси.

Введение НИЛ-20 в количестве 0,6% массы цемента увеличивает подвижность от 4 до 16 см при сохранении прочностных характеристик бетона как нормального твердения, так и подвергнутого тепло-влажностной обработке. При повышении дозы пластификатора до 1% подвижность бетонной смеси возрастает до 22 см при снижении прочности бетона в начальные сроки твердения не более чем на 10%. В равноподвижных смесях введение оптимального количества НИЛ-20 позволяет повысить прочность бетона на 20—25% или снизить расход цемента не менее чем на 15%.

Близким по эффективности к добавке НИЛ-20 является другой представитель модифицированных концентратов ЛСТ — пластификатор ХДСК-1. Он получен в специальной установке путем гидродинамической, термической и химической обработки ЛСТ со щелочью. Применение ХДСК-1 позволило значительно улучшить укладку бетона в кассеты, снизить его пористость, сократить время тепловлажно-стной обработки изделий на 4 ч и уменьшить расход цемента на 12%.

Модифицированные концентраты ЛСТ приближаются по пластифицирующему эффекту к сильнейшим разжижителям — суперпластификаторам. При их введении в бетонную смесь водосодержание снижается так же, как и при применении суперпластификаторов на основе кондиционных органических продуктов — нафталина и мела-мина — на 18—25%.

При модификации концентратов ЛСТ специально подобранными аминосодержащими веществами получен пластификатор ЛСТ-М, эффективный при измельчении цементного клинкера. Введение 0,1— 0,2% этой добавки, промышленное производство которой было освоено на Камском целлюлозно-бумажном комбинате, позволяет улучшить гранулометрию цемента и повысить его активность на 3—7 МПа.

Основные добавки, полученные модифицированием ЛСТ, приведены в табл. 4.5.

Технические лигносульфонаты применяют не только в качестве пластифицирующих ПАВ, они также выполняют роль связующего. При введении небольших добавок фосфорной или серной кислоты и кремнийорганической жидкости они по своей водостойкости и клеящей способности превосходят фенолоспирты.

Близкими по достигаемому эффекту к техническим лигносульфо-натам являются добавки ЩСПК (щелочные стоки производства кап-рол актама), УПБ (упаренная последрожжевая мелассная барда) и др.

Добавка ЩСПК относится к пластифицирующим воздухововлека-ющим добавкам и представляет собой в основном натриевую соль адипиновой кислоты — побочный продукт окисления циклогексано-на кислородом воздуха при производстве капролактама. Эта добавка так же, как и ЛСТ, при введении в бетонные смеси в количестве 0,1—0,2% от массы цемента оказывает пластифицирующее действие, позволяет приготавливать морозостойкие бетоны марок F200 и выше, а также экономить около 8% цемента. В комплексе с противоморозны-ми добавками (например, нитритом натрия, поташем, азотнокислым кальцием) добавка ЩСПК сокращает расход последних в 3—5 раз при бетонировании конструкций в условиях низких температур.

Добавка УПБ является промышленным отходом спиртовых заводов при производстве кормовых дрожжей. Оптимальные дозировки составляют 0,15—0,5% от массы цемента. Использование УПБ так же, как и других пластифицирующих добавок, улучшает условия труда и снижает трудоемкость, повышает качество изделий и позволяет экономить до 10% цемента.

В последние годы на основе отходов промышленности разработан ряд добавок, относящихся к группе суперпластификаторов и позволяющих без увеличения водосодержания и снижения прочности бетона переводить малоподвижные бетонные смеси в литые. Так, на основе отходов производства нафталина получен суперпластификатор «Дофен» (С-4). Высокий пластифицирующий эффект при введении этой добавки достигается при содержании ее в бетонной смеси в количестве 0,5—2%.

Из отходов нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности разработан суперпластификатор ИНХП-1, который наряду с высоким разжижающим действием обладает повышенным воздухо-вовлечением. Он особенно перспективен для дорожного строительства и производства железобетонных конструкций с повышенной морозостойкостью.

Гидрофобизирующие ПАВ применяются как добавки-интенсифика-торы измельчения и регуляторы свойств, главным образом, в производстве цемента и бетонов. Их общим свойством является химическое взаимодействие с цементом и продуктами его гидратации с образованием соединений, не смачиваемых водой.

Гидрофобизирующие ПАВ целесообразно дифференцировать по воздухововлекающей способности. Воздухововлечение в растворных бетонных смесях при введении ПАВ — это следствие микропенооб-разования, возникающего при понижении поверхностного натяжения на границе раздела жидкости и газа. Воздухововлекающей способностью обладает большинство ПАВ, но особенно ярко она проявляется у гидрофобизующих ПАВ, которые в зависимости от воздухововлекающей активности можно разбить на две группы: с повышенным воз-духововлечением и умеренным.

К добавкам первой группы относятся мыла смоляных и, в меньшей степени, нафтеновых и жирных кислот, а также отходы, их содержащие. Типичным представителем этой группы является абиетат натрия, или смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ).

Добавками первой группы также являются следующие химические отходы: мылонафт (щелочной отход очистки дистиллятов нефти); подмыльный щелок (отход мыловаренного производства, получаемый при высаливании омыленных жиров), отходы соапстоков (продуктов переработки растительных масел и различных жиров).

Все эти ПАВ способны пластифицировать растворные и бетонные смеси. Обычно их вводят с водой затворения. Пузырьки вовлеченного воздуха ослабляют контакт между зернами песка и раздвигают их, образуя своеобразный смазочный слой из воздушной эмульсии. При вовлечении эмульгированного воздуха увеличивается общий объем цементного теста, что также способствует пластификации растворных и бетонных смесей.

Содержание воздуха с помощью воздухововлекающих ПАВ может быть доведено в растворных и бетонных смесях до 5—10%. Эффект воздухововлечения, кроме поверхностной активности ПАВ, определяется комплексом многочисленных технологических факторов. Воздухововле-чение способствует предотвращению расслаивания и водоотделения, повышению стойкости к химической коррозии, существенному повышению морозостойкости бетонов и растворов. Последнее объясняется тем, что пузырьки воздуха служат «резервными емкостями», куда отжимается вода при замерзании. Влияние воздухововлечения на прочность бетонов зависит в основном от трех факторов: количества вовлеченного воздуха, состава смеси и характера применяемой добавки. При неизменной подвижности смеси каждый процент вовлеченного воздуха снижает прочность бетона в 28-суточном возрасте примерно на 2—4%. По мере увеличения возраста бетона прочность снижается все медленнее.

Вторая группа гидрофобизирующих ПАВ при обычных условиях и оптимальных концентрациях вовлекает умеренное количество воздуха (обычно не более 2—3%).

Из добавок этого типа наибольшее значение имеют синтетические жирные кислоты с 10—20 атомами углерода в молекуле и кубовые остатки, получаемые при производстве этих кислот. ПАВ этой группы вводят как в воду затворения, так и цементный клинкер при измельчении. В первом случае обеспечивается пластификация смесей, особенно «тощих», т. е. с низким расходом цемента, и повышение долговечности бетонов и растворов, а во втором — еще интенсификация измельчения и образование гидрофобного цемента.

Кубовые остатки при нормальной температуре имеют высокую вязкость, поэтому для дозирования с водой затворения их нужно эмульгировать в воде. Перед подачей в цементную мельницу кубовые остатки растворяют в органическом растворителе или специально модифицируют, добиваясь достаточной текучести.

Гидрофобизирующие добавки рассматриваемой группы, усиливая образование плоскостей скольжения в бетонных (растворных) смесях, действуют как пластификаторы вследствие адсорбционного действия, обусловленного «слоистой» структурой тонких ориентированных пленок.

Впервые в СССР гидрофобный цемент был предложен М.И. Хигеро-вичем и Б.Г. Скрамтаевым. Сущность гидрофобизации заключается в образовании молекулами ПАВ на поверхности зерен цемента хемосор-бционных пленок, обращенных гидрофобными углеводородными радикалами к внешней среде. Основным достоинством гидрофобного цемента является его низкая гигроскопичность, способствующая сохранению активности в течение длительного времени (1—2 года и более).

Для универсализации ПАВ целесообразно объединить их в комплексные добавки, эффективными из которых являются композиции различных гидрофидизирующих и гидрофобизирующих ПАВ, например ЛСТ и кубовых остатков синтетических жирных кислот. Эти ПАВ хорошо совмещаются эмульгированием кубовых остатков в водном растворе ЛСТ. Введением комплексных ПАВ пластифицируются как «жирные», так и «тощие» бетонные смеси на цементах с различным химико-минералогическим составом. Совместное введение обоих видов ПАВ в измельченный клинкер позволяет получать гидрофобно-пластифицированный портландцемент.

Химические добавки, ускоряющие твердение вяжущих и бетонов, в том числе и при отрицательных температурах, в основном, относятся к электролитам.

Из ускорителей твердения бетона в наибольшей мере исследован хлорид кальция. Ускоряющее действие хлорида кальция объясняется повышением растворимости клинкерных минералов цемента, образованием комплексных малорастворимых соединений, каталитическим и модифицирующим влиянием при гидратации цемента. Применение его в бетоне, однако, ограничено из-за ускорения коррозии стальной арматуры и понижения стойкости цементного камня в сульфатной среде. В некоторых странах применение этой добавки запрещено.

В качестве ускорителя схватывания и твердения применяют также сульфаты натрия и калия, нитраты натрия и кальция, хлорное железо, хлорид и сульфат алюминия и другие соли-электролиты.

Для предотвращения коррозии стальной арматуры предложены композиционные добавки, совмещающие ингибиторы с ускорителями твердения, например, в виде нитрит-нитрата хлорида кальция и др.

Для предотвращения коррозии стальной арматуры предложены композиционные добавки, совмещающие ингибиторы с ускорителями твердения, например, в виде нитрит-нитрата хлорида кальция и др.

В последние годы установлено ускоряющее действие на твердение цемента тиосульфата и роданида натрия (Na2S203 и NaSCH), которое сходно с действием СаС12. Прочность бетона в ранние сроки твердения возрастает пропорционально количеству этих добавок. Добавки тиосульфата и роданида натрия не вызывают коррозии арматуры в железобетоне. Как тиосульфат, так и роданид натрия являются сравнительно дорогими добавками, поэтому практический интерес представляют смеси этих солей на базе промышленных отходов, в частности переработки коксового газа. Эти смеси в Украине изготавливаются как добавки системы «Релаксол».

В работах НИИЖБабыло показано, что комбинация промышленной смеси тиосульфата и роданида натрия с суперпластификатором С-3 приводит к определенному синергизму, т. е. усилению их индивидуального ускоряющего и пластифицирующего влияния. Это позволило предложить комплексные добавки «Реламикс»

Добавки электролитов используются в производстве бетонов, растворов, керамических и других строительных материалов. Так, дис-тиллерные отходы производства кальцинированной соды применяют как добавку, содержащую СаС12 и NaCl, к бетонам при зимнем бетонировании, изготовлении местных вяжущих совместным мокрым помолом с гранулированным доменным шлаком и т. д. Высокие концентрации ионов Са2+ и Na+ в дистиллерной жидкости обеспечивают активизацию шлака.

Щелочесодержащие отходы могут служить компонентами шла-кощелочных вяжущих и бетонов. Небольшие их добавки вызывают эффект разжижения сырьевых цементных шламов и керамических шликеров.

Крупнотоннажными щелочесодержащими отходами являются сульфатно-содовые продукты, образующиеся при термическом обезвреживании промышленных стоков химических производств. Сульфатно-содовые отходы содержат смесь сернокислого, карбонатного и сернистого натрия (%): Na2S04 - 55-80, Na2C03 — 2—35, NA2S - 1-6.

Значительный интерес для производства шлакощелочных вяжущих представляют щелочесодержащие отходы, не требующие дополнительной переработки. К ним относятся твердые и жидкие отходы литейного производства, образующиеся в виде отработанных шламов при химической и электрохимической очистке металлических отливок и труб от остатков керамики, пригара и окалины в растворах и расплавах щелочей. Химический состав шлама следующий (%): NaOH - 40-70, Na2C03 - 10-20, NaN03 - 5-20, Fe203 - 14-8, Na2Cr04 — 0,3—1. Щелочь до 70—85% содержится в шламе в свободном состоянии и в виде силикатов, карбонатов и др.

Использование отработанных щелочных отходов литейного производства в качестве щелочного компонента для шлакощелочных вяжущих позволяет получить шлакощелочные бетоны классов В40—В60. К щелочесодержащим отходам, не требующим дополнительной обработки, относятся и отработанные карбонатные растворы после очистки воздуха, кислорода, газов, этилена, стирола в щелочных растворах.