ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ В КАЧЕСТВЕ СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

АННОТАЦИЯ

На сегодняшний день накоплено значительное количество техногенных отходов, которые можно использовать в качестве вторичного сырья для производства строительных материалов. Отдельно можно выделить фторангидрит и микрокремнезем – отходы промышленного производства, эффективность применения которых доказана рядом исследований. Фторангидрит может выступать в качестве альтернативного вяжущего вещества при производстве бетона. Как модификатор строительных материалов может использоваться микрокремнезем, уплотняющий структуру композиционных материалов. В результате применения данных  материалов утилизируются промышленные отходы, за счет чего также снижается себестоимость конечной продукции.

Ключевые слова: техногенные отходы, фторангидрит, микрокремнезем, утилизация, модификация.

Индустрия строительных материалов в настоящее время развивается, при этом производятся материалы всех типов, сортов и функционального назначения. В области строительных технологий осуществляется модернизация традиционных и разработка новых, имеющих улучшенные эксплуатационные характеристики материалов. Однако негативным фактором, сопровождающим данные процессы является ухудшение экологической ситуации, как в промышленной зоне, так и в местах добычи природного сырья, а так же образование значительных отвалов промышленных отходов  [1, с. 76; 2, с. 149]

Данные причины приводят к тенденции сбережения ресурсов и максимального использования вторсырья и являются актуальными в настоящее время.

Одним из способов снижения нагрузки на экологию является применение отходов промышленности в качестве вяжущего или частичной замены традиционного вяжущего. Выявлен потенциал использования фторангидрита в качестве самостоятельного вяжущего вещества. Фторангидрит является отходом, образующимся при производстве плавиковой кислоты:

CaF₂+H₂SO₄→CaSO₄ + 2HF [3, с. 94].

Проведенный рентгенофазовый анализ дал представление о химическом составе материала, согласно которому фторангидрит содержит более 92 % безводного сульфата кальция CaSO₄, а так же фтористый кальций CaF₂ и CaCO₃. Полученный химический состав приведен ниже (таб. 1)

Таблица 1.

Химический состав фторангидрита

Гранулометрический состав фторангидрита представлен в таблице 2.

Таблица 2.

Гранулометрический состав фторангидрита

Удельная поверхность фторангидрита сухой нейтрализации составляет 600–800 см²/г, плотность 2250–2920 кг/м³. Насыпная плотность в сухом состоянии 700–900 кг/м³. Растворимость фторангидрита составляет 1,6–1,9 г/л. Для применения фторангидрита в качестве вяжущего исходный материал подвергали помолу и просеиванию на сите № 0,315 мм.

Принцип твердения данного вида вяжущего заключается в присоединении воды к полугидрату сульфата кальция, после чего происходит его превращение в полугидрат:

Процесс гидратационного твердения, с точки зрения термодинамики, связан с уменьшением энергии Гиббса, которая отображает степень изменения энергии в ходе протекания химической реакции. Благодаря этому реакция протекает самопроизвольно [4, с. 18].

Данный отход производства возможно использовать как заменитель вяжущего вещества в композиционных материалах [5, с. 1; 6, с. 3], либо как добавку к вяжущему, что позволит существенно экономить на себестоимости конечного продукта и улучшить экологическую обстановку.

Помимо использования отходов производства в виде вяжущего, возможно их применение в качестве добавок, вводимых в состав композиционного материала.

К одним из таких модификаторов техногенного происхождения можно отнести кремнеземистые отходы. Добавки на основе кремнезема представляют собой высокоактивные пуццоланы. При этом данный вид модификаторов дает двойной эффект при использовании в композите. Из-за сферической формы частиц обеспечивается так называемый «подшипниковый» эффект, то есть смесь становится более подвижной, легче транспортируется и повышается удобоукладываемость. С  другой стороны, непосредственно кремнеземистый компонент проявляет высокую пуццолановую активность, вступая в химическую реакцию с гидроксидом кальция. Также кремнезем и микрокремнезем используются в качестве добавки-уплотнителя смеси. Кроме того, исследованиями [7, с. 12; 8, с. 35] доказано, что введение в состав композита микрокремнезема  в качестве гидравлической добавки позволяет улучшить данную характеристику материала.

 Наиболее распространен микрокремнезем МК-85 производства г. Челябинск. Добавка является высокореакционным пуццолановым компонентом со  средней удельной поверхностью 20 м²/г. Химический состав применяемого микрокремнезема представлен в таблице 3. Физические свойства микрокремнезема МК-85 представлены в таблице 4. Данные химического состава, как правило, предоставляются поставщиком в пакете сопроводительных документов на партию продукции.

Таблица 3.

Химический состав микрокремнезема МК-85

Таблица 4.

Физические свойства микрокремнезема МК-85

По гранулометрическому составу средний размер частиц микрокремнезема расположен в диапазоне от 150 до 300 нм. В связи с высокой дисперсностью частиц при хранении микрокремнезем подвергается уплотнению и агрегации в условиях естественной влажности с закономерным увеличением среднего размера частиц до 20 мкм, поэтому необходимо разрабатывать и рассматривать различные варианты активации порошкообразной добавки.

Таким образом, наиболее актуальной проблемой на сегодняшний день является достаточно большой объем промышленных отходов, выделяемых в процессе крупного техногенного производства.  Один из путей решения данного вопроса, представляет собой вторичное использование таких материалов в качестве вяжущих, либо модифицирующих компонентов при изготовлении строительных изделий.  Как видно из приведенного материала, применение промышленных отходов в качестве вторичного материала не только позволяет благоприятно влиять на экологическую обстановку, но также дает возможность получить качественный продукт, обладающий достаточными эксплуатационными характеристиками и  при этом более экономически выгодный, нежели стандартные составы применяемые для производства того же типа изделий.

Список литературы:

1. Aveston J.  Fibrereinforced materials. Practical Metallic Composites / J. Aveston // Spring Meeting Palmy, s.3, no 1. – London, 1974. – P. 76.
2. Arocena, J.M. Heterogeneous distribution of trace elements and fluorine in phosphogypsum by-product / J.M. Arocena, P.M. Rutherford, J.M. Dudas // The Science of the Total Environment. – 1995. – 162: S. 149 – 160.
3. Федорчук М.Ю. Техногенный ангидрит, его свойства, применение / М.Ю.  Федорчук – Томск: ТГУ, 2003. – 108 с.
4. В.Ф. Коровяков Гипсовые вяжущие и их применение в строительстве  //  Российский химический журнал. – 2003. – 5. – 18-21с.
5. Пат. 2046097 Российская Федерация C01F11/46, C04B11/26. Способ утилизации гипса из отходов производства плавиковой кислоты или безводного фтористого водорода  / Левченко А.В., Овчинникова В.Ф.; заявитель и патентообладатель: Левченко А.В., Овчинникова В.Ф. Заявлено 27.01.1992, опубликовано 20.10.1995.
6. Чебуков М.Ф.  Использование гипсовых отходов от производства плавиковой кислоты для получения строительного гипса / М.Ф. Чебуков, Л.П. Игнатьев // Строительство и архитектура. Новосибирск, 1958, N 10, с. 3-6.
7. Токарев Ю.В. Композиционные материалы на основе сульфата кальция, модифицированные ультрадисперсными минеральными порошками. // Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. – Пермь, 2010.
8. Бурьянов А.Ф., Гордина А.Ф., Полянских И.С, Сельнов С.А., Токарев Ю.В. Водостойкие гипсовые материалы, модифицированные цементом, микрокремнеземом и наноструктурами // Строительные материалы, 2014. № 6, С. 35-37.