01.06.2008 17:09:42
Статья посвящена технологии применения техногенных продуктов и отходов промышленности в производстве строительных и отделочных материалов.
Новые экономические отношения в России и интеграция в мировой рынок привели к необходимости перестройки и совершенствования отечественной строительной индустрии с целью приведения ее к мировому уровню производства и повышению качества выпускаемой продукции. В современных условиях перед строительным материаловедением ставятся задачи как в области фундаментальных исследований, так и по проблемам прикладных направлений науки, во многом определяющих развитие экономики страны.
Строительное материаловедение охватывает значительную область исследований материалов и конструкций различного функционального назначения и свойств. В последние десятилетия все большее внимание ученых привлекают крупнотоннажные побочные продукты и отходы различных отраслей промышленности с точки зрения их использования в строительстве. И это не случайно, поскольку строительная отрасль является наиболее мощным и экономически оправданным потребителем вторичного сырья. Вместе с тем, на современном этапе развития строительного материаловедения к материалам и конструкциям предъявляются все более жесткие требования не только по качеству и эксплуатационным свойствам, но и по долговечности. Техногенные продукты и отходы промышленности в большинстве своем являются многокомпонентными и неоднородными системами, использование которых в строительном производстве может привести к изменчивости основных физико-механических и технологических свойств строительных материалов. В связи с этим первостепенное внимание в проблемах использования побочных продуктов в строительстве должно уделяться крупнотоннажным и технологичным отходам стабильного химического и минералогического состава.
Значительную группу техногенных продуктов составляют минеральные шламы, образующиеся при нейтрализации заводских стоков предприятий химической, машиностроительной, химико-фармацевтической, стекольной и других отраслей промышленности, а также в процессе химической подготовки и осветления воды на предприятиях энергетического комплекса. В большинстве случаев минеральные шламы представляют собой ультрадисперсные, гетерогенные системы, которые в процессе последующей коагуляции и обезвоживания осаждаются и в отдельных случаях образуют структуры твердения. Высокая дисперсность и стабильный химический состав некоторых шламов открывает широкие перспективы применения их в качестве микронаполнителей и химических активаторов гидратации и структурообразования цементных и композиционных материалов. Теория и практика строительного материаловедения на современном этапе свидетельствуют о том, что цементные растворы и бетоны постепенно переходят из разряда 3–4 компонентных к 6–8 и более компонентным системам, наполненным модификаторами различного функционального назначения. Химические добавки, комплексные модификаторы и микронаполнители являются сегодня неотъемлемой частью цементных и композиционных материалов. Преимущество структуры цементной матрицы с микронаполнителем заключается в том, что в ней создаются благоприятные условия для формирования межчастичных контактов, во многом определяющих прочность материала. В таких структурах локализуются внутренние дефекты и снижается концентрация напряжений. При рассмотрении механизмов повышения прочности наполненных цементных систем, особенно при использовании тонкодисперсных химически активных наполнителей особое внимание должно уделяться изучению процессов кристаллообразования, обеспечивающих в конечном итоге прочность твердеющих композитов.
На стадии приготовления цементных растворов и мелкозернистых бетонов микронаполнители в значительной мере определяют реологические свойства смесей. Наполненные системы более подвижны и пластичны, легко транспортируются к месту укладки и уплотняются с меньшими энергетическими затратами. Следует иметь в виду, что одним из определяющих факторов для улучшения реологических свойств наполненных цементных растворов является заряд поверхности частиц микронаполнителей. Наиболее перспективными с точки зрения применения в цементных и сложных строительных растворах являются карбонатные шламы химводоочистки предприятий энергетики и гипсосодержащие нейтрализованные шламы стекольной промышленности.
Целесообразность применения подобных шламов в производстве строительных растворов убедительно доказана широким промышленным использованием их в строительных организациях г. Пензы. В течение последних 15 лет гипсосодержащие и карбонатные шламы используются в производстве штукатурных и кладочных растворов с целью регулирования процессов схватывания и твердения, а также улучшения реологических свойств смесей.
Вместе с тем, в отношении механизмов действия минеральных шламов многое остается неизвестным, и чем совершеннее и точнее становятся методы исследований, тем более сложными представляются нам процессы химической активации наполненных цементных систем. Достаточно сказать, что на сегодняшний день не существует однозначного мнения о механизме образования и перекристаллизации эттрингита и, как следствие, о характере его влияния на структуру и прочность цементных материалов. Во многих исследованиях, касающихся механизмов гидратации и твердения цементных систем, наполненных тонкодисперсным кальцитом отмечается значительное повышение прочности водо- и коррозионной стойкости материалов. Однако механизмы карбонатной активации гидратации, протекающие на молекулярном уровне, исследованы недостаточно. Сложным и многогранным является процесс формирования гидросиликатов кальция в присутствии кальцита и механизм эпитаксиального наращивания кристаллических структур, образующихся при гидратации цемента на гранях уникального минерала-кальцита.
Всесторонние и глубокие исследования механизмов гидратации и твердения наполненных цементных систем, в том числе с использованием тонких физико-химических методов анализа процессов, протекающих на молекулярном уровне, позволят не только получать материалы с заданными свойствами, но и управлять этими процессами на различных стадиях формирования структуры композиционных строительных материалов.
Одним из перспективных направлений исследований, касающихся расширения применения гипсосодержащих и карбонатных шламов, является изучение механизмов их действия и характера влияния на физико-механические свойства теплоизоляционных материалов. Намечены два основных направления возможного применения шламов в производстве подобных материалов. Первое относится к композитам, получаемым на основе цементов, шламов и органических наполнителей (отходы деревообработки, пенополистирол и др.). Такие материалы могут широко использоваться в качестве теплоизоляционных вкладышей в ограждающих конструкциях зданий и сооружений. Значительная экономия стеновых материалов может быть достигнута, например при возведении стен малоэтажных жилых зданий по принципу «колодцевой» кладки, заполнителем в которой является цементно-шламовый материал с органическим наполнителем. Другим направлением является применение карбонатных и смешанных шламов в производстве ячеистых бетонов с целью ускорения процесса начального структурообразования и повышения прочности.
Традиционно для регулирования процессов схватывания и твердения в технологии ячеистых бетонов используется поташ, гипсовый камень, кальцинированная техническая сода, жидкое натриевое стекло, едкий натр, сульфат натрия, С-3 и другие добавки, способствующие стабилизации структуры на раннем этапе твердения.
Одним из возможных направлений применения карбонатного шлама (или его смеси с гипсовым) в пенобетонах является использование его совместно с сульфатом натрия, который может быть получен на основе крупнотоннажных отходов производства предприятий химико-фармацевтической промышленности. Известно, что одним из существенных недостатков, повышающих себестоимость пенобетонных конструкций, является повышенный расход цемента. Исследованиями установлено, что при использовании карбонатных шламов в производстве пенобетона возможно достижение экономии цемента до 25 % без снижения прочности материала.
Кроме того, при использовании шламов совместно с ускорителями твердения может быть достигнута не только высокая экономия вяжущего, но и значительное снижение тепловой энергии в процессе термообработки изделий. Пенобетонные конструкции, обладающие высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами могут быть получены при замене до 50 % песка карбонатным шламом.
Положительный опыт использования карбонатного шлама химводоподготовки предприятия ТЭЦ г. Пензы в качестве добавки, регулирующей начальное структурообразование, и с целью снижения расхода вяжущего при производстве пенобетонных конструкций получен в 2006 г. на Пензенском предприятии ОАО ЖБИ.
Важным и перспективным направлением применения карбонатных и гипсовых шламов является использование их в качестве микронаполнителей в производстве отделочных составов (шпатлевок, затирочных паст и т.д.). В последнее десятилетие гипсосодержащий шлам Никольского предприятия по выпуску стекла и хрусталя (Пензенская обл.) успешно применяется в производстве отделочных материалов в строительных организациях г. Пензы. Вместе с тем исследования, касающиеся механизмов действия минеральных шламов на процессы твердения, основные свойства и долговечность отделочных материалов, весьма ограничены.
Таким образом, одной из важнейших задач расширения области применения минеральных шламов в производстве строительных и отделочных материалов является повышение стабильности химического состава шламов и всестороннее изучение механизмов физико-химической активации процессов гидратации и твердения цементных и композиционных систем. Процессы растворения исходных вяжущих адсорбции и кристаллизации гидратов, протекающие на молекулярном уровне и особенно на ранних этапах гидратации во многом определяют характер последующего твердения материала его прочность и долговечность.
Несмотря на достигнутые успехи отечественных и зарубежных ученых в области теории гидратации и твердения вяжущих веществ, до сих пор в теоретических и экспериментальных исследованиях остается множество нераскрытых вопросов, касающихся механизмов гидратации. С внедрением в строительное материаловедение современных технологий проведения экспериментальных исследований и нанотехнологий, механизмы гидратации и твердения вяжущих веществ представляются нам еще более сложными и многогранными. Начиная с момента затворения водой, система испытывает воздействие многих внешних и внутренних факторов, определяющих непрерывный эволюционный процесс формирования структуры твердения.
Для создания единой теории гидратации вяжущих веществ необходимо выяснить роль химических и физико-химических процессов, происходящих в системе, определить характер их взаимосвязи и природу сил, приводящих к формированию структуры твердения и прочности. В наполненных цементных системах, особенно в присутствии химически активных микронаполнителей, процессы растворения, адсорбции, кристаллизации и др. определяются химическими свойствами модификаторов, зарядовым состоянием поверхности его частиц, растворимостью, особенностями кристаллохимического строения и многими другими факторами. Важное значение в процессах гидратации имеет структура воды и гидратированных ионов, появляющихся в системе с первых секунд после затворения водой и в дальнейшем определяющих характер изменения растворимости, адсорбции, кинетику кристаллизационных процессов и т.д.
Таким образом, в гетерогенных цементных системах утвердительно говорить о каком-либо едином механизме гидратации достаточно сложно, поскольку множество исходных фаз, присутствующих в полиминеральном вяжущем, оказывает взаимоопределяющее влияние на процессы гидратации и твердения системы в целом. Вероятно, в ближайшем будущем наряду с развитием теории и практики строительных материалов на основе полиминеральных вяжущих веществ будет развиваться направление строительного материаловедения, в основу которого будут положены исследования процессов гидратации и твердения мономинеральных вяжущих и получения композитов на их основе, поскольку процессами синтеза подобных материалов можно будет управлять с высокой степенью гарантии достижения заданных параметров и свойств твердеющих структур.