О.В. ТАРАКАНОВ, канд. техн. наук, Е.О. ТАРАКАНОВА, студентка, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
В статье рассматриваются вопросы применения промышленных отходов в производстве отделочных материалов, в первую очередь сухих строительных смесей.
Одной из глобальных проблем современного этапа развития общества является определение возможных путей использования и управления огромным количеством отходов, образующихся в процессе промышленного производства и переработки сырья.
В России ежегодно для размещения отходов добывающих и перерабатывающих предприятий и комплексов отторгается более 2 тыс. га земель, в том числе и наиболее ценных – пахотных. Экологическая опасность заключается не только в накоплении самих отходов, которые во многих случаях являются токсичными, но и в том, что рекультивация и целевое использование земель отстают от темпов их отчуждения.
Масштабы использования отходов, образующихся на добывающих и перерабатывающих предприятиях, невелики. В настоящее время только 20% используется в качестве вторичного сырья, в том числе 10% - для получения строительных материалов.
Значительную долю в структуре отходов промышленных предприятий составляют минеральные шламы.
На станциях обезвреживания и нейтрализации отходов предприятий энергетики, химико-фармацевтической, стекольной и других отраслей промышленности в результате химических реакций и осаждения из сточных вод выделяются тонкодисперсные рыхлые осадки, склонные к коагуляции. По размеру и форме частиц минеральные шламы представляют собой микрогетерогенные, коллоидные, дисперсные системы, в которых твердой фазой являются малорастворимые в воде основные и карбонатные соли, гипс, гидроксиды кальция, алюминия и железа, а дисперсионной средой – вода.
На предприятиях энергетики шламы образуются в процессе химической подготовки воды для теплогенерирующих установок. Предприятия средней мощности, вырабатывающие тепловую и электрическую энергию, ежегодно сбрасывают около 5-7 тыс. тонн шламовых отходов, которые накапливаются в шламбассейнах и периодически вывозятся на промышленные свалки.
Номенклатура и химический состав шламовых отходов предприятий энергетики обусловлены особенностями технологических процессов водоподготовки и представлены главным образом тонкодисперсным карбонатом кальция, образующимся в результате известкования природной воды и коагуляции осадка.
Минеральные гипсосодержащие шламы предприятий стекольной и химико-фармацевтической промышленности, накопленные в огромных количествах вблизи предприятий, представляют собой ценнейшее сырье для производства гипсовых вяжущих и широкой гаммы композиционных строительных материалов на их основе. Основными компонентами гипсосодержащих шламов являются двуводный гипс, фторид кальция и растворимые соли натрия и калия.
Стабильный химический состав карбонатных и гипсосодержащих шламов позволяет широко использовать их в производстве строительных и отделочных материалов без существенных затрат на усреднение состава и дополнительную подготовку.
Высокая дисперсность шламов способствует не только значительному улучшению реологических и технологических свойств цементных и композиционных материалов, но также формированию плотной структуры за счет начальной прочности контактов, равномерного распределения частиц шлама между зернами вяжущего и наполнителя и активации кристаллизационных процессов.
Учитывая огромное количество предприятий энергетики, химико-фармацевтической, машиностроительной, стекольной и других отраслей промышленности, общие схемы нейтрализации стоков и химической подготовки воды для теплогенерирующих установок, огромную экологическую проблему, связанную с утилизацией шламовых отходов, задача применения минеральных шламов в производстве строительных материалов имеет не только большое ресурсосберегающее и рационализаторское значение, но и экологическую целесообразность.
Исследования характера влияния минеральных шламов на процессы гидратации и твердения цементных растворов и бетонов, выполненные совместно с анализом механизмов действия шламов на различных уровнях и стадиях формирования структуры цементных композиций, показали це¬ле¬сообразность применения шламов в цементных строительных материалах в качестве добавок активаторов твердения, улучшающих реологические и технологические свойства растворов и бетонов.
В период с 1996-го по 2006 год регулярное промышленное использование гипсосодержащего шлама унитарного предприятия «Красный гигант» (г. Никольск, Пензенская обл.) было организовано на четырех строительных предприятиях г. Пензы:
– ОАО «Стройиндустрия» Пензенского управления строительства;
– ОАО «Жилстрой»;
– ОАО «Пензастрой»;
– ОАО «Инжстройсервис».
В летний период гипсосодержащий шлам периодически использовался в строительных организациях г. Кузнецка, г. Городище и г. Никольска Пензенской области.
Доставка шлама на строительные объекты осуществлялась в пастообразном состоянии со шламонакопителей очистных сооружений предприятия «Красный гигант» автотранспортом со специально оборудованными герметичными кузовами.
Добавка гипсосодержащего шлама использовалась главным образом при изготовлении штукатурных растворов.
На растворных узлах шлам из бункеров для хранения и усреднения состава поступал в емкости для приготовления раствора добавки рабочей концентрации и затем с водой затворения насосами подавался в бетоносмесительные установки. Дозировки шлама составляли 15-20% от массы вяжущего и корректировались в заводских лабораториях, в зависимости от вида используемого цемента.
Внедрение передовой технологии применения шламов позволило строительным предприятиям частично или полностью отказаться от использования дорогостоящей извести, подготовка которой с целью применения в сложных растворах требовала больших экономических затрат и строгого соблюдения санитарно-гигиенических условий труда.
Добавка шлама повышает пластичность растворных смесей, что обеспечивает хорошую перекачиваемость растворов к месту укладки и повышает качество отделки (затирки) отделываемых поверхностей. Повышение пластичности и качества штукатурных растворов позволяет снижать трудоемкость штукатурных работ в среднем на 15%.
За период промышленного применения гипсосодержащего шлама с 1996-го по 2006 год на строительных предприятиях г. Пензы и области было использовано более 15000 т гипсосодержащего шлама, что позволило получить высокий экономический эффект и значительно снижать уровень загрязнения окружающей среды вблизи г. Никольска Пензенской области.
Гипсосодержащий шлам предприятия «Красный гигант» используется в строительстве на основании разработанной технической и технологической документации и рекомендаций по применению гипсосодержащего шлама в производстве строительных растворов. По результатам токсико-гигиенических исследований гипсосодержащий шлам относится к IV классу опасности (вещество малотоксичное).
Начиная с 2006 года в строительных организациях г. Пензы внедряется ресурсосберегающая технология применения карбонатного шлама химической подготовки воды Пензенской генерирующей компании в производстве штукатурных и кладочных растворов.
Количество ежегодно образующегося карбонатного шлама на теплогенерирующих предприятиях г. Пензы является достаточным для обеспечения практически всех строительных организаций, производящих цементные и композиционные растворы.
Исследования механизмов действия тонкодисперсных карбонатных наполнителей с применением методов тонкого химического и структурного анализа позволили выявить основные аспекты карбонатной активации цементных систем. Это делает возможным с учетом химико-минералогического состава цементов определять оптимальные дозировки шлама с целью улучшения технологических свойств смесей и получения требуемой прочности строительных растворов при минимальном расходе вяжущего.
Исследования, проведенные на нескольких основных видах цементов, используемых в строительном производстве, показали, что оптимальным количеством шлама является 10-15% от массы вяжущего. В этом случае достигается повышение прочности цементных растворов на 20-25%, что позволяет снизить расход вяжущего на 15-20%. Механизм повышения прочности цементных систем, наполненных карбонатным шламом, заключается не только в активации кристаллизационных процессов при твердении, но и в улучшении реологического состояния цементно-песчаных систем вследствие равномерного распределения тонкодисперсных частиц шлама между зернами цемента и песка. Частицы шлама в отличие от цемента не связывают значительное количество воды в начальной стадии гидратации и способствуют повышению пластичности цементно-песчаных растворов. В свою очередь, это позволяет снизить количество воды затворения, а в случаях применения суперпластификаторов - существенно повысить их эффективность.
Получены новые данные о влиянии карбонатных шламов на фазовый состав продуктов гидратации цементного камня. Установлено, что одним из основных механизмов действия шламов является активация образования гидросиликатов кальция с различной структурой и степенью конденсации кремнекислородных мотивов, уплотняющих систему и способствующих повышению прочности. Получены экспериментальные данные о влиянии на прочность цементных композиций комплексных минеральных добавок на основе карбонатного шлама и кремнеземсодержащих местных сырьевых материалов (опока, трепел и др.). Это позволит значительно расширить область применения этих добавок в производстве не только строительных материалов, но и сухих смесей.
Проводятся исследования возможности применения карбонатного шлама в смеси с пластифицирующими и воздухововлекающими добавками, а также с супер- и гиперпластификаторами.
Технологическая схема подготовки шламов не требует установки сложного оборудования. Основными операциями являются:
– отбор партий шлама из шламонакопителя;
– доставка шлама в бункеры для усреднения химического состава;
– механическое перемешивание или барботирование шламовой суспензии;
– приготовление шламовой суспензии рабочей концентрации;
– очистка шламовой суспензии от инородных включений;
– отбор проб суспензии для проведения химического анализа.
На строительных предприятиях г. Пензы разработаны технологические схемы подготовки карбонатных шламов к утилизации, технические условия и рекомендации по применению шламов в производстве строительных растворов. Проведена токсико-гигиеническая экспертиза карбонатного шлама, по результатам которой шлам относится к IV классу опасности (вещество малотоксичное).
Добавка шлама должна вводиться в состав штукатурных или кладочных смесей в виде водного раствора заданной плотности на стадии приготовления цементно-водной суспензии или в сухом виде, в смеси с вяжущим в процессе приготовления сухой минеральной смеси.
Положительным фактором при использовании карбонатного шлама в сухом состоянии является то, что его структура и состав при хранении практически не изменяются в отличие от гипсосодержащего шлама, который при длительном хранении или сушке частично отверждается. В связи с этим гипсосодержащий шлам целесообразно использовать в пастообразном состоянии, в то время как карбонатный шлам может быть эффективно использован в виде сухого порошка.
С использованием нейтрализованных шламов химико-фармацевтического предприятия «Акрихин» (пос. Ст. Купавна, Московская обл.) и никольского завода «Красный гигант» разработаны технологические схемы получения гипсового вяжущего. Технология производства гипсовых вяжущих характеризуется простотой, коротким циклом, позволяющим механизировать и ав¬то¬матизировать технологические процессы, сравнительно небольшими тепло- и энергозатратами.
Предлагаемый способ получения гипсового вяжущего на основе нейтрализованных гипсосодержащих шламов на требует проведения одной из основных технологических операций – измельчения гипсового камня в щековых дробилках, поскольку исходный сырьевой материал представляет собой тонкодисперсную пастообразную массу 60-70% влажности (Sуд = 10-15 тыс. см2/г). Для получения низкомарочного гипсового вяжущего из подобных продуктов не требуется больших энергетических затрат. Вследствие высокой дисперсности частиц исходного материала энергетические затраты на помол вяжущего после тепловой обработки не¬велики. Получаемое по данной технологии гипсовое вяжущее обладает высокими эстетическими качествами, имеет исключительно белый цвет (вяжущее на основе шлама никольского завода), что является важным фактором при производстве изделий и материалов для внутренней отделки зданий и сооружений. Нейтрализованный шлам предприятия «Акрихин» вследствие присутствия в нем органических составляющих имеет серо-белый цвет. Предварительные исследования показали, что материалы и изделия повышенной прочности возможно получать на основе комплексного вяжущего, состоящего из смеси низкомарочного гипсового вяжущего, цемента и активных минеральных добавок. Следует отметить, что немаловажным фактором при производстве гипсовых вяжущих является высокая стоимость сырья. В данном случае сырьем являются побочные продукты производства, запасы которых достаточно велики. Так, например, на сегодняшний день суточный выход нейтрализованного шлама на заводе «Красный гигант» составляет 20-30 т. Кроме того, следует учитывать огромное количество шлама, накопленного на промышленных свалках г. Никольска в течение последних 20-30 лет. Запасы нейтрализованного шлама, накопленного в отвалах вблизи «Акрихина», оцениваются сотнями тысяч тонн.
Применение нейтрализованных шламов, а также гипсовых вяжущих, получаемых на их основе, возможно при изготовлении теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных материалов и конструкций.
Разработанный на основе гипсосодержащего шлама теплоизоляционный материал «Гипсол» изготавливается по принципу арболита или ксилобетона и представляет собой смесь гипсосодержащего нейтрализованного шлама, цемента, гипсового вяжущего и органического наполнителя. Количество цемента и гипсового вяжущего в смеси зависит от требуемой прочности. В качестве наполнителя могут быть использованы отходы деревообработки, костра, дробленые стебли конопли, льна, солома, камыш и т.д. Получены опытные образцы теплоизоляционного материала плотностью 600-700 кг/м3 и прочностью 0,3-3 МПа. Коэффициент теплопроводности образцов в сухом состоянии равен 0,106-0,117 Вт/(м•°С). Учитывая низкую стоимость нейтрализованного шлама и продуктов деревообработки, по предварительным расчетам, предлагаемый материал в 4-6 раз дешевле 1 м3 кирпичной кладки. Себестоимость 1 м3 «Гипсола» составляет в среднем 300-400 руб./м3. Положительным фактором является способность шлама к самоотверждению вследствие присутствия в нем гидроокиси алюминия и остаточного количества извести. Получены опытные образцы теплоизоляционного материала плотностью 500-600 кг/м3, изготовленные только на основе шлама и органических наполнителей. «Гипсол» может выпус¬каться в виде унифицированных теплоизоляционных блоков, а также использоваться в составе мно¬гослойных стеновых панелей и перегородок. Одним из вариантов применения разработанного материала является использование его для заполнения пустот при производстве каменных работ по принципу «колодцевой» кладки. Технологический процесс включает подготовку сырьевых материалов, приготовление смеси, подачу ее к месту укладки, укладку в «колодец» и уплотнение. Смесь может готовиться в построечных бетоносмесителях и подаваться к месту укладки бетононасосом, ковшом и т.п. Предлагаемый способ позволяет сокращать количество кирпича, раствора, существенно улучшая при этом теплоизоляционные свойства конструкции в целом. Учитывая повышенные требования к теплопроводности современных теплоизоляционных материалов, с использованием отечественных и зарубежных пенообразователей разработаны составы пеногипсола.
Высокая эффективность теплоизоляционного материала на основе нейтрализованного шлама была подтверждена результатами его опытно-промышленного использования в строительном производстве. На пензенском предприятии ОАО «Жилстрой» из материала «Гипсол» были изготовлены теплоизоляционные блоки размером 400500120 мм и произведено утепление покрытия 9-этажного жилого дома в г. Пензе. Аналогичные теплоизоляционные работы проведены на ряде других объектов города.
Анализ отечественной и зарубежной литературы и производственного опыта свидетельствует о широком использовании гипсовых отделочных материалов в жилищном и гражданском строительстве. Массовое распространение в жилищном производстве получили гипсовые и композиционные штукатурные растворы, шпатлевки, сухие смеси, облицовочные панели и плиты, гипсокартонные материалы, конструкции подвесных потолков и т.д.
Использование самоотверждающегося нейтрализованного шлама и полученного на его основе гипсового вяжущего в производстве гипсовых и гипсокартонных отделочных материалов позволяет значительно сократить расход традиционного гипсового вяжущего без снижения прочностных показателей и ухудшения декоративных свойств материалов.
Высокая дисперсность и исключительная белизна нейтрализованного шлама никольского предприятия позволяет рекомендовать его в качестве тонкодисперсного наполнителя в производстве водных малярных составов. Водный раствор шлама может быть использован как индивидуально, так и в составе комплексных известковых, меловых, клеевых, полимерных и композиционных окрасочных смесей.
Применение нейтрализованных шламов в качестве наполнителя при изготов¬лении шпатлевок, выравнивающих паст, замазок и т.д. позволяет сократить или исключить одну из наиболее энергоемких операций приготовления композиций – перетирание. Для получения однородного тонкодисперсного состава достаточным становится лишь тщательное перемешивание смеси. Количество нейтрализованного шлама в отделочных составах изменяется в широких пределах и определяется экспериментальным путем на стадии проектирования заданных свойств материалов. Следует отметить, что присутствие в составе шлама никольского завода фтористого кальция обеспечивает не только белизну, но и высокие антисептические свойства малярных составов, приготовленных на его основе. Побелочные пасты, водоэмульсионные краски, шпатлевки, затирки, выравнивающие пасты и т.д. способствуют предотвращению появления плесени на отделанных поверхностях.
Огромное внимание в производстве отделочных материалов в последнее время уделяется сухим строительным смесям. С использованием сухих тонкомолотых гипсосодержащих и карбонатных шламов разработаны составы сухих шпатлевочных смесей различного назначения, затирок, заполнителей швов для облицовочных работ, сухих строительных клеев, модификаторов для штукатурных растворов и т.д.
Проведенные исследования и опытно-промышленное использование разработанных материалов показали целесообразность применения нейтрализованных гипсосодержащих и карбонатных шламов в производстве штукатурных растворов и отделочных материалов. Дальнейшие исследования должны быть направлены на получение высокоэффективных и дешевых отделочных, конструкционных, теплоизоляционных, конструкционно-теплоизоляционных материалов с использованием местного сырья, оптимизацию составов и технологических параметров их производства. Особое внимание следует уделять повышению эксплуатационных свойств материалов и их долговечности. Следует отметить, что разработка строительных материалов на основе вторичного минерального сырья и местных природных ресурсов является перспективным направлением в строительстве, поскольку подобные теплоизоляционные материалы обладают повышенными гигиеническими свойствами по сравнению с синтетическими, полученными на основе пластмасс, органических смол и т.д. Человек чувствует себя гораздо комфортнее в помещении, ограждающие конструкции и отделка которого выполнены из материалов на основе минерального сырья или близких по составу к природным. Чрезмерное увлечение синтетическими материалами создает неблагоприятные условия для проживания вследствие выделения вредных веществ в процессе эксплуатации и воздействия факторов окружающей среды. Применение вторичного сырья в производстве строительных материалов позволяет в комплексе решать проблему снижения уровня загрязнения окружающей среды. Считаем, что решение этой задачи требует комплексного подхода на региональном уровне с привлечением интересов - и инвестиций - крупных промышленных предприятий, строительных и торговых фирм.