22. Силикатные бетоны. Свойства, применение

Силикатный бетон — камневидный искусственный строительный конгломерат, получающийся из уплотненной и отвердевшей в автоклаве увлажненной смеси молотой негашеной извести (6... 10%), молотого кварцевого песка (8... 15%) и обычного кварцевого песка (70 ...80%) (или другого заполнителя). Силикатные бетоны могут быть тяжелыми —со средней плотностью (в1 них плотные заполнители — песок и щебень или гравий), легкими — со средней плотностью (в них заполнители — керамзит, аглопорит) и ячеистыми — со средней плотностью. Разделяют бетоны мелкозернистые с крупностью зерен заполнителя до 5 мм и крупнозернистые с зернами более 5 мм. Наибольшее применение получили тяжелые мелкозернистые бетоны с пределом прочности при сжатии 15, 20, 25, 30, 40 и 50 МПа. Можно изготовить высокопрочные силикатные бетоны с более высоким пределом прочности — 60, 70, 80 МПа и более.

Морозостойкость таких бетонов, особенно бетонов высокой прочности, достигает 300 циклов попеременного замораживания и оттаивания без заметных следов разрушений структуры. Кроме того, они обладают достаточной водостойкостью и стойкостью к воздействию некоторых агрессивных сред. Прочность, морозостойкость и другие свойства силикатных бетонов в значительной степени зависят от тонкости помола песка и содержания его в смеси при определенном количестве активной СаО. Так, при содержании активной СаО 12,5% с увеличением удельной поверхности молотого песка прочность и морозостойкость силикатного бетона заметно возрастают.

Силикатные бетоны можно армировать как обычной, так и предварительно напряженной арматурой. Однако при влажном режиме эксплуатации конструкций арматуру следует защищать антикоррозионными составами. При нормальном режиме эксплуатации арматура в плотном силикатном бетоне не корродирует. В этой связи силикатные бетоны широко применяют в промышленном и гражданском строительстве наравне с обычными цементными бетонами.

Из плотных силикатных бетонов изготовляют все несущие конструкции: панели стен и перекрытий, лестничные марши и площадки, балки, колонны, плиты и другие детали для сборного промышленного, гражданского и сельскохозяйственного строительства. Из прочных силикатных бетонов изготовляют также напряженно-армированные железнодорожные шпалы, тюбинги для шахтного строительства и метро, безасбестовый шифер и другие изделия. Силикатный бетон находит применение для строительства сборных покрытий и оснований дорог общего пользования.

23. Асбестоцемент. Общие сведения, состав, преимущества и недостатки. Основы технологии производства асбестоцемента. Утилизация отходов производства. Применение альтернативных материалов

Асбестоцемент - строительный материал, изготовляемый из водной смеси цемента и асбеста. На 100 частей (по массе) портландцемента марки 500 и выше расходуется от 12 до 20 частей асбеста преимущественно низких сортов. Благодаря армирующему эффекту волокон асбеста А. до начала схватывания цемента обладает достаточной прочностью на растяжение и пластичностью, позволяющими из листа толщиной 5-10 мм формовать изделия различной формы. Асбестоцемент можно рассматривать как тонкоармированный цементный камень, в котором волокна асбеста, обладающие высокой прочностью при растяжении, воспринимают растягивающие напряжения, а цементный камень - сжимающие.

Асбест - это собирательное название минералов волокнистого сложения, белого, желтого, зеленоватого или серого цветов, который благодаря оптимальному сочетанию качества и цены используется в строительстве более 100 лет. Асбест не поддается действию жара, поэтому служит для изготовления несгораемых тканей, бумаги, прокладок, шнуров, применяется для изготовления огнеупорных красок и др.

Также волокна асбеста обладают исключительно высокой прочностью, упругостью при растяжении, химической и физической устойчивостью Это позволяет (до схватывания цемента ) из листа толщиной 5-10 мм формовать изделия различной формы. Следует отметить уникальное свойство асбеста - его радиационная комфортность. Дома, построенные с использованием асбестосодержащих строительных конструкций, обладают радиационной защищенностью.

Преимущества

Соответственно изделия из асбоцемента обладают рядом преимуществ: большой надежностью и стойкостью к агрессивным средам, срок их эксплуатации выше металлических в несколько раз. Они не подвержены электрохимической коррозии, пожаробезопасны, долговечны в грунте, а так же просты при монтаже. К недостаткам асбестоцемента можно отнести подверженность хрупкому разрушению и деформативность при изменении влажности. Но снизить недостатки можно дополнительным армированием и гидрофобизацией – дополнением специальных добавок. Любое асбестоцементное изделие представляет собой ни что иное, как крепкий камень, в котором волокна асбеста монолитно связаны с цементом.

Асбестоцементные производства, как любые технические объекты, оказывают значительное воздействие на окружающую среду, и оно касается всех трех сред – воздуха, воды и почвы. Развитие асбестоцементной промышленности ведет к увеличению потребления воды и возрастанию объема асбестосодержащих отходов. Большое их количество, накапливаемое в процессе производства, свидетельствует о незавершенности технологической схемы и приводит к нарушению экологического равновесия, загрязнению окружающей среды из-за образования свалок и выбросов.

Надежные способы захоронения шламов являются дорогостоящими, поэтому в мировой и отечественной практике почти не применяются. В то же время вывоз отходов на свалку без специальной обработки запрещен. В связи с этим все больше внимания уделяется разработке технологий по обеззараживанию и переработке шламов асбестоцементного производства.

Серьезные теоретические исследования проведены в области шламовых и зольных отходов, отходов горнодобычи и переработки, отходов древесины и т.д. Из отдельных их видов или в комбинации с минеральным сырьем могут быть изготовлены почти все основные строительные материалы [1].

Асбестоцементные отходы и шламы в своем составе имеют компоненты, пригодные для получения на их основе строительных материалов различного назначения. Нельзя не отметить и еще одну причину, по которой вопросам их утилизации в настоящее время уделяется большое внимание: нехватку природных сырьевых ресурсов и повсеместное их удорожание.

На практике довольно часто не используются исходные преимущества отхода: дисперсность, агрегатное состояние, наличие химически активных фаз (способность к химическому взаимодействию, гидратации, твердению) и поверхностно-активных веществ. Обычно основным критерием выбора отходов служит их химический состав. При таком подходе сырье безвозвратно теряет свои уникальные свойства.

Согласно исследованиям [2, 3], у волокон асбеста с продуктами гидратации клинкерных минералов и последующей их карбонизации изменяются седиментационные характеристики. Такие волокна не способны витать и попадать в органы дыхания – следовательно, снимаются вопросы по экологической вредности асбеста.

Твердые отходы асбестоцементного производства могут являться высококачественным сырьем для изготовления строительных материалов и изделий, так как обладают высокой потенциальной гидравлической активностью [4]. Эффективный способ ее раскрыть – правильно подобранная термическая обработка твердых отходов. В этом случае гидратные новообразования и асбест будут подвергаться деструктурированию, а в системе накапливаются безводные продукты, обладающие гидравлической активностью.

Отходы асбестоцементного производства в виде асбестита (выброс из отстойников) представляют собой водную суспензию распушенных волокон асбеста, покрытых продуктами гидратации клинкерных минералов и неразложившихся цементных зерен.

Стоит задача найти такой способ переработки асбестоцементных отходов, чтобы получить материал, безопасный для здоровья людей и окружающей среды, с достаточно низкой стоимостью, гарантирующей экономическую эффективность его дальнейшего использования.

Авторы [5] систематизировали многочисленные данные о технологиях выпуска различных строительных материалов и изделий на основе асбестоцементных отходов. В зависимости от их вида, применяемого вяжущего и способов изготовления появляются материалы и изделия с различными свойствами: в частности, из мелких фракций асбеста и гидратированного цемента – теплоизоляционные скорлупы для изоляции трубопроводов диаметром 1–4 дюйма [7], другие термоизоляционные изделия [11].

Наиболее исследованы технологии переработки асбестоцементных отходов в производстве газобетонов [8] и изделий автоклавного твердения. Результаты показывают возможность повышения прочности автоклавных материалов на песчанистых портландцементах путем введения в состав бетонной смеси тонкомолотого затвердевшего асбестоцемента в количестве 6–8% массы цемента.

Авторы [9] предлагают использовать асбестоцементные отходы для изготовления безобжигового заполнителя пористой структуры.

В настоящее время в асбестоцементном производстве ПРУП “Кричевцементношифер” в год образуется 104,2 т асбестита и 56,8 т твердых отходов, которые используются для посыпки дорог. Данное решение едва ли рационально, если учесть, что указанные отходы – ценное сырье, о чем свидетельствует их химический состав (табл. 1), для применения при выпуске строительных материалов различного назначения.

Как показывают исследования [10], наличие асбеста обеспечивает повышенную прочность материала на растяжение. Наиболее высокой активности отходов можно достичь в результате обжига при температуре не менее 700 °С и помола. Однако это процесс энергоемкий, и для его осуществления требуется специальное оборудование.

При выборе рационального решения по переработке асбестоцементных отходов следует ориентироваться на технологические возможности предприятия, местное сырье и потребности региона в определенных материалах и изделиях.

Наименее затратной при имеющемся технологическом оборудовании является, на наш взгляд, организация производства сухих строительных смесей – интенсивно развивающейся сегодня отрасли строительной индустрии. Введение активных минеральных добавок местного происхождения как природных, так и искусственных в состав сухих строительных смесей – вполне возможная и решаемая задача. Большинство заполнителей искусственного происхождения обладает химической активностью и в той или иной мере дополняет либо повышает активность самого вяжущего.

В Республике Беларусь разработана нормативно-правовая база, определяющая требования к сухим строительным смесям: СТБ 1307–2002 “Смеси растворные и растворы строительные. Технические условия”, СТБ 1263–2001 “Композиции защитно-отделочные строительные. Технические условия”, СТБ 1496–2004 “Композиции полимерминеральные для устройства пола. Технические условия”. Полученный из них затвердевший раствор должен обладать прочностью при сжатии, водопоглощением, морозостойкостью, прочностью сцепления с основанием.

Другой важный аспект проблемы утилизации асбестосодержащих отходов – повышение их экологической безопасности за счет снижения содержания водорастворимого шестивалентного хрома. В производстве асбестоцементных строительных материалов происходит насыщение сильно щелочных технологических и сточных вод соединениями шестивалентного хрома. Их содержание в водах достигает 5–20 мг/л при предельно допустимой концентрации 0,1 мг/л, что значительно превышает установленные нормы. В странах ЕС требования к содержанию водорастворимого Cr (VI) для цементов и материалов на их основе – не более 0,0002% (2 ppm).

С использованием асбестоцементных отходов опробованы различные составы штукатурных смесей для наружной отделки, в рецептуру которых на стадии производства были дополнительно введены добавки-дехроматизаторы: щелок (отход производства ОАО “Светлогорский ЦКК”) и сульфит натрия.

Согласно требованиям ТНПА, предел прочности при сжатии штукатурок в проектном возрасте характеризуется маркой М4, то есть прочность при сжатии должна быть не менее 4 МПа.

Как следует из графика, ввод добавок, снижающих содержание водорастворимых хроматов, приводит к некоторому снижению прочностных показателей как на ранних, так и на поздних сроках твердения.

Сухие асбестоцементные отходы обладают более высокой потенциальной гидравлической активностью по сравнению с влажными. При этом на более поздних сроках твердения гидратные новообразования и асбест в большей степени подвергаются деструктурированию именно в составах с сухими отходами, и в этих системах накапливаются безводные продукты, обладающие гидравлической активностью. В результате прочность составов с сухими асбестоцементными отходами в возрасте 28 суток в 2 раза выше, чем у составов на основе влажных асбестоцементных отходов.

В германском научно-исследовательском институте проведены исследования по созданию технологии переработки асбестоцементных материалов. Вначале асбестоцементный материал подвергался тепловой обработке, затем измельченный продукт обжига вводился в качестве добавки к цементу CEM I 32,5R в количестве 5–15%. Установлено [6], что 5%-ные добавки положительно влияют на свойства цемента, обеспечивая прирост прочности на 20% в 2-суточном возрасте, на 13 – в 28-суточном и на 11% через 90 суток.

Оптимальное количество добавки асбестоцементных отходов способствует росту прочности как в ранние сроки твердения, так и в возрасте 28 суток [12].

Результаты показывают, что наиболее перспективными для дальнейших исследований в данном направлении являются составы на основе сухих асбестоцементных отходов, набирающие в проектном возрасте прочность, которая превышает регламентируемую.

Введение добавок, уменьшающих содержание водорастворимых хроматов, приводит к незначительному снижению марочности получаемой композиции, однако обеспечивает выполнение требования нормативных документов по содержанию Cr6+. Необходимо отметить, что все исследованные составы в проектном возрасте имели прочность, соответствующую требованиям ТНПА.

Поскольку наиболее широко асбест применяется в производстве хризотил - цемента, разработка новых материалов на основе волокон-заменителей была начата прежде всего в этой отрасли. В годы Второй мировой войны в Германии вместо асбеста в асбестоцементных изделиях стали применять стеклянное и стальное волокно, искусственный каучук, пластмассу, целлюлозу, специально обработанную бумагу. Позже стали использовать базальтовое волокно.

В последние два-три десятилетия миллиарды долларов по всему миру были инвестированы в создание и производство искусственных волокон (стеклянных, шлаковых, кремниевых, керамических, базальтовых, поливинилхлоридных, муллитокремнеземистых, углеродных, целлюлозных, кевларовых и многих других). Но до настоящего времени ни один из так называемых альтернативных материалов не имеет всей совокупности свойств хризотил-асбеста . У ряда волокон низки физико- механические свойства; количество совпадающих характеристик волокон, как правило, не превышает двух-трех.

По результатам промышленно-производственных испытаний большая часть заменителей оказалась практически непригодной для производства асбестоцемента. Прежде всего волокна-заменители не обладали совокупностью свойств, необходимых для обеспечения оптимального взаимодействия волокон с цементом. Например, стальные, кевларовые и углеродные волокна даже при минимальном напряжении выдергиваются из цементной матрицы. Стеклянные, полиэфирные и полиамидные волокна имеют низкую щелочестойкость и теряют прочность при химическом взаимодействии с продуктами гидратации портландцемента.

Отечественные кровельные изделия на базе искусственных волокон не являются конкурентоспособными. В стране нет надежной сырьевой и технологической базы новых производств: остро не хватает макулатуры, не налажено производство неорганических волокон, отсутствуют необходимые объемы отечественных полимеров, высока стоимость сырьевых материалов для их производства, низко их качество.

Многие зарубежные так называемые альтернативные материалы тоже имеют худшие, чем асбестоцемент, свойства; все материалы-заменители непомерно дороги.

В ценах 2000 г. 1 т хризотил-асбестового волокна на мировом рынке стоила 200—400 USD, целлюлозы — 600—800, поливинилхлорида -3,5—4, кевлара — 22—24 тыс. USD. Соответственно, 1 м2 отечественного неокрашенного асбестоцементного листа стоил 0,8 USD, цветного — 1,6, немецкого на основе заменителей — 4, металлочерепицы голландского, шведского, финского производства — 4,5—9,9 USD. Для абсолютного большинства наших сограждан нержавеющая металлическая кровля и керамическая черепица недоступны.

Ближайшим конкурентом асбестоцементных кровельных материалов по объему производства и доле рынка являются битумсодержащие. Однако некоторые виды этих материалов за последние годы подорожали в пять и более раз. Это обусловлено ростом стоимости нефтепродуктов (главного сырьевого компонента), применением с целью повышения качества более дорогостоящих основ (стеклохолстов и стеклосеток), дорогостоящих полимерных добавок, декоративных посыпок. Очевидно, что рост цен на все эти компоненты будет продолжаться, и весьма стремительно.

Сравнивать асбестоцементные кровельные материалы с импортными класса премиум (черепицей керамической, из натурального сланца, стальной с различными покрытиями и др.) так же некорректно, как сравнивать отечественный автомобиль, например, с «мерседесом». Они занимают несравнимо меньший сегмент рынка, а их цена в немалой степени определяется брендом, модой, дизайном и различными опциями, платежеспособным спросом.

Вышеизложенное позволяет утверждать, что с экономической точки зрения в обозримом будущем в нашей стране практическое обеспечение строительства качественными кровельными материалами возможно только за счет выпуска асбестоцементных изделий.

В борьбе за рынки сбыта альтернативных материалов зарубежные производители умалчивают, а отечественные потребители не знают или не придают значения тому, что хризотил-асбест в отличие от искусственных минеральных волокон не надо создавать. Для производства альтернативных волокон необходимо производить добычу новых сырьевых ресурсов, разрабатывать новые технологии и оборудование по применению волокон-заменителей, создавать новые производства и технологические процессы, переоснащать старые предприятия, на которых ранее использовались асбестовые волокна. Кроме дополнительных материальных и экономических ресурсов для создания новых технологий и производств необходимы большие затраты энергии. Следует отметить, что именно при производстве волокон-заменителей в окружающую среду выделяется много вредных веществ. Сырьевые материалы для производства искусственных минеральных волокон, связующие для них, например поливинилхлорид (ПВХ), сами биологически активны. При изготовлении изделий из таких материалов и при их эксплуатации, особенно при нагревании, в окружающую среду выделяются различные химические соединения с токсическими, а в некоторых случаях и канцерогенными свойствами. В результате альтернативные материалы и изготовленные из них изделия создают экологическую опасность для человека.

Очень серьезной проблемой при использовании искусственных минеральных волокон является относительно недолгий срок их применения — около 20 лет. В связи с этим их свойства не изучены в такой степени, как свойства асбеста и асбестсодержащих материалов, применяемых более 100 лет. Производители же искусственных минеральных волокон, пренебрегая отсутствием необходимых медико-биологических и технических данных о новых материалах, а, иногда зная, что некоторые из них имеют опасные свойства, из конъюнктурных соображений выводят эти материалы на широкий рынок, одновременно продолжая компрометировать асбестовые волокна и изделия на их основе. В этих условиях важно иметь сравнительные данные о хризотил-асбесте и предлагаемых в качестве его заменителей искусственных волокнах.