сотрудник
Республика Мордовия, Россия
сотрудник
Республика Мордовия, Россия
сотрудник
Республика Мордовия, Россия
аспирант
Республика Мордовия, Россия
студент
Республика Мордовия, Россия
сотрудник
Республика Мордовия, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
Приоритетными направлениями государственной политики в области обращения с отходами являются: максимальное использование исходного сырья и материалов, предотвращение образования отходов и др. В техногенных отходах сосредоточено огромное количество сырьевых материалов. Одним из видов твердых промышленных отходов являются отходы производства минеральной ваты, так называемые «корольки», которые составляют от 15 до 30 % от готовой продукции. Химический и фазовый состав данного вида отхода делает возможным использовать его в качестве активной минеральной добавки при производстве портландцемента. Данная статья посвящена изучению особенностей влияния отходов производства минеральной ваты на процессы гидратационного твердения цементного камня и технологические свойства цементных паст и затвердевших композитов. С позиции обеспечения получения материалов с нормативными и улучшенными свойствами в результате проведенных исследований подтверждена возможность использования отходов производства минеральной ваты в качестве активной минеральной добавки для цемента.
портландцемент, физико-механические свойства, отходы производства минеральной ваты, цементные композиты, активная минеральная добавка
Введение. В России ежегодно образуется около 7 млрд. т промышленных отходов, при этом используется лишь 2 млрд. т или 28 %. Из общего объема используемых отходов около
80 % (вскрышные породы и отходы обогащения) направляются на закладку выработанного пространства шахт и карьеров, 2 % отходов используется в качестве топлива и минеральных удобрений и всего лишь 18 % или 360 млн. т применяются в качестве возвратного сырья (из них
200 млн. т – в стройиндустрии). На территории нашей страны в отвалах и хранилищах накоплено свыше 100 млрд. т твердых промышленных отходов. Сконцентрированные в отвалах и свалках отходы являются источниками загрязнения поверхностных и подземных вод, атмосферы, почвы и растений. При этом изымаются из хозяйственного оборота сотни тысяч гектаров земель. Между тем, в техногенных отходах сосредоточено огромное количество различных сырьевых материалов [1, 2].
Одним из видов твердых промышленных отходов являются отходы производства минеральной ваты, так называемые «корольки», которые составляют от 15 до 30 % мас. от готовой продукции. По данным статистики таких отходов в России скопилось уже около 5-6 млн. м3. Традиционно, работы по утилизации отходов минераловатного производства – «корольков» ведутся по двум направлениям: возврат в производство минеральной ваты в качестве дополнительного источника сырья и получение новых строительных материалов. Количество «корольков» задействованных по обоим направлениям остается незначительным и не снимает проблемы утилизации. Однако, химический и фазовый состав данного вида отхода делает возможным использовать его в качестве активной минеральной добавки при производстве портландцемента [1, 3].
В связи с чем, целью данной работы было подтверждение возможности использования отхода от производства минеральной ваты в качестве активной минеральной добавки для цемента, а также изучение особенностей влияния отхода на процессы гидратационного твердения цементного камня и технологические свойства цементных паст и затвердевших композитов.
Методология. При проведении исследования использовались следующие материалы:
Портландцементный клинкер (ОАО «Мордовцемент»), химического состава: CaO – 65,21 %, SiO2 – 21,650 %, Al2O3 – 5,54 %, Fe2O3 – 3,88 %,
SO3 – 0,24 %, MgO – 1,28 %, K2O – 1,08 %, Na2O –
0,396 %, TiO2 – 0,234, P2O5 – 0,227 %, SrO –
0,129 %, MnO – 0,046 %, ZnO – 0,027 %, Cr2O3 – 0,011 % и минералогического состава: 3CaO·SiO2 – 60,3 %, 2CaO·SiO2-β 17,8 %, 3CaO·Al2O3 – 4,5 %, 4CaO·Al2O3·Fe2O3 – 15,8 %, Ca(OH)2 – 0,6 %, CaCO3 – 0,7 %, MgO – 0,3 %.
Отходы минераловатного производства ООО «Комбинат теплоизоляционных изделий» (г. Саранск), химического состава: CaO – 29,62-29,93 %, SiO2 – 43,81-43,88 %, Al2O3 – 9,13-9,21 %, Fe2O3 – 3,73-3,94 %, SO3 – 0,23-0,24 %, MgO – 8,33-8,43 %, K2O – 0,71-0,72 %, Na2O – 1,33-1,37 %,
TiO2 – 0,46-0,47 %, P2O5 – 0,03-0,04 %, SrO – 0,07 %,
MnO – 0,16 %, ZnO – 0,002 %, Cr2O3 – 0,01 %,
ППП – 1,8 % и минералогического состава:
β-SiO2 – 5,0 %, Са2Al2SiO7 – 1,2 %, Са2MgSi2O7 – 23,8 %, Аморфная фаза – 70,0 % (для отходов фракции больше 0,63 мм) и β-SiO2 – 5,6 %, Са2Al2SiO7 – 3,4 %, Са2MgSi2O7 – 1,0 %, Аморфная фаза –
90,0 % (для отходов фракции меньше 0,63 мм). Форма частиц отходов разных фракций представлена на рис. 1, согласно которому видно, что отходы минераловатного производства содержат частицы «королька» размером менее 0,5 мм, агрегаты и свары. В дальнейшей работе использовались отходы фракции меньше 0,63 мм, состоящие в основном из аморфной фазы.
|
а |
б |
|
|
|
|
в |
г |
|
|
|
Рис. 1. Форма частиц отходов производства минеральной ваты ООО «Комбинат теплоизоляционных
изделий» (г. Саранск) фракций: а – 0,63–1,25; б – 0,315–0,63; в – 0,16–0,315; г – поддон
Модифицированный цемент получали смешиванием портландцемента с размолотыми до удельной поверхности 2 900–3 000 см2/г отходами производства минеральной ваты.
В работе исследовались основные технологические свойства цементных композиций: нормальная густота, сроки схватывания, равномерность изменения объема и водоотделение. Нормальная густота, и сроки схватывания цементного теста, а также равномерность изменения объема цементного камня определялись в соответствии с ГОСТ 310.3-76, а водоотделение в соответствии с ГОСТ 310.6-85. Также в работе исследованы прочностные характеристики цементного камня, модифицированного отходами производства минеральной ваты, полученного из теста нормальной густоты, и твердевшего в нормально-влажностных условиях. Исследования проводились на образцах с размерами 2×2×2 см. За окончательный результат принималось среднеарифметическое значение не менее 10 образцов.
Основная часть. Цемент является уникальным строительным материалом, на свойства которого влияют не только физико-химический особенности самого вяжущего, но содержание и качество применяемых сопутствующих материалов (вода, песок, добавки и др.) [4–10]. Ниже представлены технологические свойства цементных композиций, модифицированных отходами производства минеральной ваты и физико-механические показатели композитов на их основе.
Нормальную густоту цементного теста определяют путем установления необходимого количества воды для затворения цемента. Другими словами, это водоцементное отношение в процентах, при котором достигается нормированная консистенция цементного теста. Данное свойство напрямую зависит от химико-минералогического состава клинкера, удельной поверхности цемента, содержания и особенностей добавок в нем и многих других факторов [11].
В результате проведенных исследований нормальной густоты цементного теста, модифицированного отходами производства минеральной ваты, установлено, что с увеличением в цементе количественного содержания данной добавки нормальная густота цементного теста уменьшается прямопропорционально с 28,5 % (без добавки) до 25 % (с 40 % содержанием добавки от массы цемента). Все говорит о положительном влиянии отходов производства минеральной ваты на нормальную густоту цементного теста.
Изготовление новых видов цементов не приемлемо без учета требований существующих технологий производства. Для некоторых материалов необходимы цементы, твердение которых начинается не ранее двух часов после затворения (дорожные покрытия), другим не ранее 30 минут (декоративные покрытия) [12, 13].
В практике производства цементов, а также растворов и бетонов на его основе известно множество способов, способствующих ускорению или замедлению схватывания цемента (путем регулирования химико-минералогического состава цемента, изменением его удельной поверхности, введением добавок замедлителей и ускорителей схватывания) [4].
В результате проведенных исследований установлено, что содержание отходов производства минеральной ваты в цементе практически не сказывается на сроки схватывания цементного теста нормальной густоты.
Известно, что цементный камень не имеет постоянного объема при гидратации. При разной влажности цементные композиты могут разбухать либо давать усадку, зачастую не видимую невооруженным глазом. Данный процесс приводит к искривлению граней строительных изделий, либо появлению волосяных трещин. Химизм данного явления достаточно подробно описан исследователями [11–16].
Результаты проведенных исследований свидетельствуют о допустимом изменении объема цементного камня, модифицированного от 5 % до 40 % от массы цемента отходами производства минеральной ваты.
Водоотделение характеризует количество воды, отделившейся при расслоении цементного теста вследствие осаждения частиц цемента. Механизм негативного действия данного явления объясняется образованием тонкой водной прослойки между последовательно укладывающимися слоями бетона, продуктами гидратации цемента и крупным заполнителем, а также арматурой, что препятствует получению однородного раствора и бетона и, как следствие, приводит к снижению прочности конечного продукта. Еще одно негативное влияние данного свойства цемента на бетонную и растворную смесь связано с их расслаиванием, что приводит к усложнению мероприятий по обеспечению транспортирования однородных смесей [4, 11].
Современная практика производства цемента предлагает несколько способов понижения его водоотделения: повышением тонкости помола, увеличением содержания в цементе С3А, введением добавок (трепела, глины, бентонита и других). Однако не все вводимые добавки одинаково снижают водоотделение цемента [11].
Влияние содержания отходов производства минеральной ваты на водоотделение цемента представлено на рис. 2.
Согласно данным, представленным на рис. 2, водоотделение цемента увеличивается при увеличении содержания в нем отходов производства минеральной ваты с 2,3 % (без добавки) до
10,8 % (с 40 % содержанием добавки от массы цемента). Все составы отвечают требованиям действующих нормативных документов (водоотделение не превысило 25 %), что также говорит о пригодности использования отходов производства минеральной ваты в качестве добавок для цемента.
Прочность является наиболее важным физико-механическим свойством цемента, которое в первую очередь повлияет на прочностные характеристики растворов и бетонов, изготовленных из него. Многие исследователи приводят разные факторы определяющие прочность цементного камня: состав и микроструктура клинкера, количество гипса, удельная поверхность цемента, в/ц отношение, условия твердения, возраст, количество и характер вводимых добавок и др. [4, 11–13]. Технология производства различных строительных материалов, изделий и конструкций на основе цементных вяжущих характеризуется потребностью в цементах с разным классом по прочности.
Влияние количественного содержания отходов производства минеральной ваты на прочность при сжатии цементного камня представлено на рис. 3.
Согласно полученным данным, прочность цементного камня, модифицированного отходами производства минеральной ваты в количестве 5–10 % от массы цемента, увеличивается к 28 суткам твердения на 5–7 % по сравнению с контрольным составом. Дальнейшее увеличение содержания отходов в цементе приводит к незначительному снижению прочности при сжатии. Однако это не соизмеримо с экономической выгодой от большей степени наполнения цемента отходами минераловатного производства. К примеру, прочность цементного камня, модифицированного отходами производства минеральной ваты в количестве 40 % от массы цемента, уменьшается всего на 12 %, что делает возможным получение класса цемента по прочности равного классу рядового цемента, но при этом заменить 40 % клинкера дешевым сырьем.
|
|
|
|
Рис. 2. Влияние содержания отходов производства минеральной ваты на водоотделение цемента
|
Рис. 3. Кинетика набора прочности цементов при сжатии, модифицированных отходами производства минеральной ваты в процентах от массы цемента: 1 – 0 %, 2 – 5 %; 3 – 10 %, 4 – 20 %, 5 – 40 % |
Выводы. С позиции обеспечения получения материалов с нормативными и улучшенными свойствами в результате проведенных исследований подтверждена возможность использования отходов производства минеральной ваты в качестве активной минеральной добавки для цемента, а также установлено рациональное содержание составляющих компонентов в цементе.
1. Вдовина Е.В. Получение керамического кирпича на основе бейделлитовой глины и отходов минеральной ваты : дис. … канд. техн. наук. Самара, 2011. 166 с.
2. Пальгунов П.П., Сумароков М.В. Утилизация промышленных отходов. М.: Стройиздат. 1990. 352 с.
3. Нефедова И.Н., Крашенинникова Н.С., Гарбер Е.Г. Отходы производства минеральной ваты как техногенное сырье // Химия и химическая технология неорганических веществ и материалов : материалы Третьей науч. Конф. Томск : Изд-во Томкого политех. ун-та, 2011. С. 33-34.
4. Баженов Ю.М. Технология бетона: учеб. пособие. М.: Высшая школа, 1987. 415 с.
5. Ерофеев В.Т., Баженов Ю.М., Балатханова Э.М., Митина Е.А., Емельянов Д.В., Родин А.И., Карпушин С.Н. Получение и физико-механические свойства цементных компо-зитов с применением наполнителей и воды затворения месторождений чеченской республики // Вестник МГСУ. 2014. № 12. С. 141-151.
6. Ерофеев В.Т., Калашников В.И., Смирнов В.Ф., Карпушин С.Н., Родин А.И., Красноглазов А.М., Челмакин А.Ю. Стойкость цементных композитов на биоцидном портландцементе с активной минеральной добавкой в условиях воздействия модельной среды бактерий // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 1. С. 11-17.
7. Ерофеев В.Т., Родин А.И., Богатов А.Д., Казначеев С.В., Смирнов В.Ф., Светлов Д.А. Физико-механические свойства и био-стойкость цементов, модифицированных сернокислым натрием, фтористым натрием и полигексаметиленгуанидин стеаратом // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 7. Тула : Изд-во ТулГУ, 2012. Ч. 2. С. 292-309.
8. Родин А И. Разработка биоцидных цементов и композитов на их основе : автореф. дис. … канд. техн. наук. Саранск, 2013. 24 с.
9. Родин А.И., Ерофеев В.Т., Пустовгар А.П., Еремин А.В., Пашкевич С.А., Богатов А.Д., Казначеев С.В., Адамцевич А.О. Кинетика набора прочности биоцидных цементов // Вестник МГСУ. 2014. № 12. С. 88-97.
10. Родин А.И., Карпушин С.Н., Боциев Б.В., Балатханова Э.М., Смирнов В.Ф., Ерофеев В.Т. Повышение биостойкости цементных композитов с помощью препарата «Ультрадез-Био» // Фундаментальные исследования. 2014. № 9-9. С. 1946-1950.
11. Рояк С.М., Рояк Г.С. Специальные цементы : учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Стройиздат, 1983. 279 с.
12. Тейлор Х. Химия цемента: пер. с англ. М.: Мир, 1996. 560 с.
13. Теория цемента. Под ред. А. А. Пащенко. К.: Будiвельник, 1991. 168 с.
14. Jansen D., Goetz-Neunhoeffer F., Lothenbach B., Neubauer J. The early hydration of Ordinary Portland Cement (OPC): An ap-proach comparing measured heat flow with cal-culated heat flow from QXRD // Cement and Concrete Research. 2012. Vol. 42. Рр. 134-138.
15. Erofeev V., Kalashnikov V., Karpushin S., Rodin A., Smirnov V., Smirnova O., Moroz M., Rimshin V., Tretiakov I., Matvievskiy A. Physical and mechanical properties of the ce-ment stone based on biocidal Portland cement with active mineral additive // Solid State Phe-nomena. 2016. Vol. 871. Pp. 28-32.
16. Erofeev V., Korotaev S., Bulgakov A., Tretiakov T., Rodin A. Getting Fired Material with Vitreous Binder Using Frame Technology // Procedia Engineering. 2016. Vol. 164. Pp. 166-171.
