Строительные материалы

Стройматериалы из отходов

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Вяжущие материалы. При определенном химико-минералогическом составе отходы дробления горных пород могут быть использованы для получения различных вяжущих материалов. Карбонатные и мергелистые отходы являются сырьем для производства воздушной и гидравлической извести, романцемента, композиционных вяжущих. Алюмосиликатные материалы в композиции с карбонатами могут входить в состав сырьевых смесей для получения портландцементно-го клинкера. При этом в ряде случаев они имеют определенные преимущества перед традиционными сырьевыми материалами.

Отходы обогащения магнетитовых руд позволяют исключить из сырьевой смеси пиритные огарки, частично или полностью заменить глину. Введение в сырьевую смесь техногенного компонента способствует снижению температуры декарбонизации, ускорению формирования алита, улучшению размолоспособности клинкера, получению интенсивно твердеющего цемента.

Установлено, что под влиянием некоторых водорастворимых добавок отходы обогащения магнетитовых руд затвердевают. В зависимости от вида и концентрации затворителя прочностные показатели материала достигают 0,1—3,5 МПа. Наибольшую активность отходы проявляют при использовании растворов гидрооксида, хлорида и сульфата натрия, жидкого стекла.

Влияние солевых и щелочных затворителей на вяжущие свойства отходов обогащения магнетитовых руд существенно усиливается в присутствии минеральных компонентов, активно взаимодействующих с растворенными в воде добавками. При использовании щелочного затворителя такими минеральными активизаторами могут служить шлаки, техногенные стекла и др. Композиции из отходов обогащения руд, минерального активизатора и щелочного затворителя интенсивно твердеют при тепловой обработке (пропаривание, сушка). Прочность при сжатии пропаренных образцов достигает 40—70 МПа. Высокощелочная среда при тепловой обработке обеспечивает синтез низкоосновных щелочно-щелочноземельных водостойких образований с участием минералов, содержащихся в отходах обогащения.

На основе мелких фракций шламов обогащения железной руды совместно с молотым гранулированным шлаком может быть получено бесклинкерное шлакошламовое вяжущее. Оптимальное содержание молотого гранулированного шлака в нем составляет 40—60% и зависит от минералогического состава кварцитовых отходов и шлака. Активность шлакошламового вяжущего при нормальном твердении через 28 сут достигает 10 МПа и более. Из него можно изготавливать строительные растворы для закладки горных выработок при добыче руды. Это вяжущее можно также применять в дорожном строительстве.

Отсевы базальтов, получаемые в производстве щебня, могут служить железосодержащей корректирующей добавкой при обжиге клинкера. Содержание оксидов железа в базальтах составляет 15—17%. Поэтому его количество, вводимое в сырьевую смесь, в 2—3 раза выше, чем пиритных огарков. При этом из шихты вытесняется значительная часть глинистого компонента, что благоприятно сказывается на энергоемкости технологического процесса, так как при сухом способе не требуется высокая тонкость помола сырьевой смеси, а при мокром — на 1,5—2,5% снижается влажность шлама.

Введение базальта во вращающуюся печь возможно в виде крупки при одновременной подаче молотой сырьевой смеси с повышенным коэффициентом насыщения, а также в составе двухкомпонентной немолотой смеси взамен части молотого сырья, что позволяет повысить производительность печи на 29—30%. Возможность обжига немолотых двух- и трехкомпонентных сырьевых смесей с базальтом доказана испытаниями, проведенными на Днепродзержинском и Здолбуновском цементных заводах.

Температура обжига клинкера при замене глинистого компонента базальтовой породой снижается примерно на 70 °С, соответственно на 10% уменьшается расход топлива.

Клинкер из базальтсодержащей сырьевой смеси характеризуется высоким содержанием алюмоферритов кальция, что придает цементам ряд ценных свойств, таких как повышенная размалываемость, стойкость против сульфатной агрессии, пониженное тепловыделение и повышенная прочность при изгибе.

Испытания опытных цементов показали, что они удовлетворяют требованиям на тампонажные цементы как для горячих, так и для холодных скважин. Для них характерны незначительные деформации усадки и набухания, стойкость к воздействию переменного увлажнения и высыхания.

Из сырьевых смесей с базальтом можно получать и белитовые цементы, отличающиеся пониженной температурой обжига (1250— 1300 °С). Дополнительная активизация таких вяжущих происходит при введении в сырьевую смесь фосфогипса. При этом устраняется основной недостаток белитовых вяжущих — низкая прочность в ранние сроки твердения. Низкообжиговые сулъфобелитовые цементы приобретают марочную прочность до 50 МПа.

К вяжущим контактного твердения, для получения которых могут быть использованы отходы горнодобывающих отраслей промышленности, относятся вяжущие контактно-конденсационного твердения, петроцементы, геополимеры. Все эти вяжущие материалы пока не нашли широкого применения, но являются перспективными, поскольку их технология характеризуется невысокими энергетическими затратами, достаточно проста и предполагает способность твердеть и формировать искусственный камень широкого круга дисперсных минеральных материалов.

Вяжущие контактно-конденсационного твердения предложены В.Д. Глуховским и Р.Ф. Руновой. Твердение их рассматривается с позиций теории конденсации, в основе которой лежит идея о том, что дисперсные вещества в силу своей энергетической нестабильности обладают конденсационной способностью, снижаемой по мере уменьшения свободной энергии этих веществ. Контактно-конденсационное твердение как явление перехода дисперсной системы в камнеподоб-ное состояние характеризуется рядом особенностей. Оно реализуется только в тех случаях, когда структура вещества является нестабильной и оно находится в аморфном или субмикрокристаллическом состоянии. Необходимым условием контактного твердения является достаточная степень сближения макрочастиц, что достигается прессованием. Характерным признаком контактов между дисперсными макрочастицами является их водостойкость и восстанавливаемость после разрушения при повторном сближении. Контактное твердение происходит без воды затворения.

Способностью к контактно-конденсационному твердению обладает большая группа силикатных и алюмосиликатных веществ как природного, так и искусственного происхождения, продукты их гидратации и дегидратации, взаимодействия гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов с гранитом, базальтом, перлитом и др. Давление прессования при контактно-конденсационном твердении может изменяться в широких пределах — от 20 до 1000 МПа и больше.

Прочностные характеристики контактно-конденсационных вяжущих находятся в диапазоне 40—60 МПа, а при больших значениях давления прессования могут быть и более высокими.

С использованием минеральных отходов разработаны технологии производства кирпича, плиток, элементов дорожных покрытий и других изделий.

Ряд тонкоизмельченных горных пород способен твердеть в прессованном состоянии в особенности при введении добавок-активаторов (щелочи, шлак и др.). Такие композиции называют петроцемен-тами или геоцементами.

В опытах В.Н. Юнга была показана возможность твердения предварительно увлажненных порошков таких горных пород, как серпентинит, магнетит, кварцит, роговая обманка и др. Породы измельчали практически до полного прохождения через сито 4900 отв./см2. В возрасте 28 сут образцы имели прочность около 10 МПа, а при использовании добавок извести и гипса — до 15 МПа. Твердение дисперсных силикатных пород, в том числе и с добавками, В.Н. Юнг объяснял способностью их к образованию тонких поверхностных пленок геле-подобной гидратированной массы. На способность к твердению измельченных минеральных материалов положительно влияют процессы механоактивации, вызывающие увеличение значения поверхностной энергии за счет разрыва межатомных связей и образования новых поверхностей.

В НИИ вяжущих материалов Киевского университета строительства и архитектуры разработан ряд вяжущих (геоцементов) и композиционных материалов на основе глинистых пород и метакаолина с введением щелочных добавок. В Пензенском университете строительства и архитектуры разработаны низкощелочные (2—3% щелочи) смешанные глиношлаковые, карбонатно-шлаковые и опочно-шлаковые вяжущие. По сравнению со шлакощелочными они позволяют сократить расходы шлака в 1,5—2 раза и щелочных активаторов в 2—3 раза.

Молотые горные породы (кремнеземистые и глауконитовые песчаники, чистые кварцевые пески, халцедоны, опалы и др.), не твердеющие с щелочными добавками при дополнительном введении до 25% шлака, позволяют при нормальных условиях достичь прочности при сжатии в прессованных образцах 25—50 МПа. При прогреве образцов при 200—250 °С прочность их существенно возрастает.

Возможность контактно-конденсационного твердения диспергированного минерального сырья открывает перспективы получения новых строительных материалов по энергосберегающим технологиям.

В этом плане интерес может представлять безобжиговое производство строительных материалов на основе кремнеземистых вяжущих суспензий (КВС). Такие суспензии представляют собой высококонцентрированные гидродисперсии кремнезема, которые получают мокрым диспергированием кварцевых песков в типовых шаровых мельницах по специальному технологическому режиму. Твердение КВС происходит по контактно-поликонденсационному механизму в процессе их последующего высушивания при 100—120 °С.

На основе кремнеземистых вяжущих и огнеупорного заполнителя разработан новый класс безобжиговых материалов — керамобетоны.

Освоено промышленное производство стеновых изделий (кирпича и камней) на основе кремнеземистых вяжущих с добавкой 0,6— 0,7% жидкого стекла. Изделия имеют прочность при сжатии 10— 15 МПа, морозостойкость 15—50 циклов.

Автоклавные материалы. Попутно добываемые породы и отходы обогащения горнорудной и других отраслей промышленности могут быть широко использованы в производстве автоклавных строительных материалов. Исследования, проведенные в последние годы, показали, что для производства автоклавных строительных материалов целесообразно использовать не только кварцевые пески, но и супеси, суглинки, лессы, некоторые виды глин, полевошпатовые и глинистые пески, ряд других горных пород.

Перспективным источником сырья для предприятий по производству автоклавных строительных материалов служат отходы обогащения железных и других руд. Хотя эти породы имеют, как правило, меньшее содержание кремнезема, чем природные кварцевые пески из-за низкого содержания глинистых частиц и слюды, учитывая реакционную способность оксидов металлов, они могут быть пригодными для получения силикатного кирпича, ячеистых бетонов и других автоклавных материалов.

При предварительных оценках отходы обогащения руд можно считать пригодными в качестве активного заполнителя силикатного кирпича при содержании Si02 не менее 50%. Для приготовления ячеистых бетонов в качестве кремнеземистого компонента применяют тонкодисперсные отходы обогащения руд, содержащие не менее 60% Si02, железистых минералов — не более 20%, сернистых соединений в пересчете на S03 — не более 2%, пылевидных глинистых частиц — не более 3%, слюды — не более 0,5%. Удельная поверхность отходов обогащения руд в шламе для ячеистого бетона должна быть 1500— 2000; 2000—2300; 2300—2700 и 2700—3000 при средней плотности бетона соответственно 800, 700, 600 и 500 кг/м3.

Установлено, что зависимость прочности при сжатии ячеистых бетонов от концентрации отходов обогащения железистых кварцитов проходит через максимум при замене 50—60% песка. Это позволяет снизить среднюю плотность ячеистого бетона, например, с 700 до 600 кг/м3 при сохранении класса по прочности. При увеличении содержания отходов обогащения в кремнеземистом компоненте свыше 60% наблюдаются снижение прочности ячеистого бетона и возрастание плотности несмотря на увеличение количества газообразователя. Ячеистые бетоны неоптимального состава имеют также и худшие кор-розионно-защитные свойства.

Значительно снизить затраты на помол, упростить технологию производства изделий и уменьшить их стоимость позволяет использование отходов обогащения, удаленных из обогатительных фабрик в виде тонкодисперсных шламов ( 6.4). Так, при применении такого шлама комбинатом «Кривбасстрой» изготавливались панели из автоклавного газошламосыликата с пределом прочности при сжатии до 7 МПа и средней плотностью 900 кг/м3.

Ячеистую смесь приготовляли в передвижной самоходной газобетономешалке. В качестве вяжущего применяли молотую негашеную известь с добавкой портландцемента. В газобетономешалке последовательно перемешивали отдозированные количества шлама, воды, извести и цемента. Алюминиевую пудру предварительно перемешивали с поверхностно-активными веществами в пропеллерной мешалке и подавали в газобетономешалку в виде суспензии. На посту разлива бетонной смесью заполняли предварительно очищенные и смазанные формы, куда укладываются арматурные каркасы с антикоррозионным покрытием.

Вспучивание смеси продолжалось около 30 мин. После 2-часовой выдержки формы переносили на машину для срезки «горбушки», затем на вагонетки и с помощью электропередаточного моста загружали в автоклав. После автоклавной обработки производили разгрузку автоклава и распалубку изделий.

Для производства строительных материалов приемлемы отходы добычи и обогащения не только железных, но и других руд. В Санкт-Петербургском строительном университете разработана технология изготовления разнообразных строительных материалов на основе титано-магнетитовых пород. В тонкоизмельченном состоянии эти породы обладают слабой гидравлической активностью, а после автоклавной обработки из них можно получить изделия высокой прочности. На основе отходов обогащения титано-магнетитовых руд в композиции с известью получены вяжущие с прочностью на сжатие при воздушном хранении 7—10 МПа, а после запаривания — 30—35 МПа, и на их основе автоклавный газобетон со средней плотностью 600— 1000 кг/м3 и прочностью 6,5—10,5 МПа.

Установлена также возможность применения для производства многих видов местных строительных материалов отходов, образуемых при флотации алунитовых руд. Их целесообразно использовать в качестве мелкозернистой добавки к шихте при производстве силикатного кирпича, а также некоторых других строительных материалов.

Разработана технология получения автоклавных материалов типа асбестоцемента из асбестовых отходов. Термически обработанные при 700—900 °С отходы асбестовых обогатительных фабрик частично или полностью заменяют в таких материалах портландцемент. Для получения изделий асбестовые отходы после обжига и помола до остатка на сите № 008 не более 10% смешивают с предварительно распушенным асбестом и водой. Из полученной пульпы формуются и раскраиваются листы, поступающие затем на автоклавную обработку. Прочность на изгиб прессованных изделий через 1 сут достигает 23 МПа, а через год — 31 МПа при средней плотности 1600—1800 кг/м3 и во-допоглощении 16—24%. Особенностями материала из асбестовых отходов являются высокая коррозионная стойкость и жаростойкость.