Плотников в.В., Ботаговский м.В., Ушакова а.И.

(БГИТА, г. Брянск, РФ)

В статье приведены результаты исследований свойств бесцементных вяжущих композиций на основе высокодисперсных промышленных отходов с целью получения монолитного пенобетона для ограждающих конструкций зданий.

To the article the results of researches of properties of cement-free astringent compositions are driven on the basis of superfine industrial wastes with the purpose of receipt of monolithic foaming-concrete for the non-load-bearing constructions of building.

В настоящее время в России скопилось огромное количество промышленных отходов, которые занимают большие площади земли, в том числе и плодородной, и оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Огромные территориальные пространства России пока позволяют скрыть бездумный подход к эксплуатации ее ресурсов, при котором предприятия имеют огромные прибыли и при этом почти не имеет затрат на утилизацию образующихся в результате своей деятельности отходов. В отличие от многих других государств, в которых приоритетом является обеспечение экологической безопасности и проводится целенаправленная политика организации безотходных производств, иногда даже достаточно затратных, в нашей стране паразитирующие подходы в добывающей и перерабатывающей промышленности в погоне за мегаприбылью преобладают.

В то же время, при правильном и продуманном подходе можно достаточно эффективно использовать промышленные отходы в качестве сырья для других производств. С учетом того, что эти производства, предусматривающие дополнительные затраты на подготовку сырья, снижают общую рентабельность, государство должно предусматривать ряд льгот, в том числе и по налогообложению, для предприятий, использующих отходы при получении различных видов продукции.

В БГИТА на кафедре «Строительное производство» проведены исследования по получению бесцементных вяжущих композиций на основе ряда промышленных отходов для монолитного пенобетона. В качестве исходного сырья для получения вяжущих использовались отходы, которые в огромном количестве скопились рядом с перерабатывающими предприятиями: гранулированный доменный шлак (ГДШ), нефелиновый шлам (НШ), фосфогипс (ФГ) и другие. Все эти отходы предварительно измельчались и проходили дополнительную механохимическую обработку в жидкой среде в специальных роторно-пульсационных аппаратах (РПА) для повышения их реакционной способности.

Первоначально было исследовано влияние обработки в РПА на свойства указанных отходов промышленного производства, пригодных для получения многокомпонентных композиций. Сравнивались физико-механические и физико-химические характеристики неактивированных (после шаровой мельницы) и активированных (после шаровой мельницы и РПА) отходов. Для ГДШ и НШ обработка в РПА производилась при водо-твердом отношении равном 0,4, а для ФГ – 0,45.

Результаты исследования кинетики измельчения ГДШ представлены на рисунке 1. Они свидетельствуют о резком увеличении при обработке в РПА удельной поверхности ГДШ, измеренной как методом воздухопроницаемости, так и методом низкотемпературной адсорбции азота.

Рост поверхности происходит с увеличением времени обработки, но наиболее интенсивно – в течение первых 3–4 минут, что отвечает активно идущим процессам диспергации материала. Замедление по истечении 4-5 минут активации прироста удельной поверхности, измеренной методом воздухопроницаемости, и удельной поверхности, измеренной методом низкотемпературной адсорбции азота, свидетельствует об агломерации частиц ГДШ и начале гидратационных процессов.

а)	б)

Рисунок 1 – Изменение удельной поверхности ГДШ при активации в РПА (а),

и распределение частиц ГДШ по поверхности и объему в зависимости от их диаметра

при обработке в РПА (б): 1 – 0 мин.; 2 – 3 мин.

При изучении влияния обработки в РПА на гранулометрический состав ГДШ было обнаружено смещение гранулометрического состава в область мелких фракций, резкое уменьшение количества частиц ГДШ больших диаметров и увеличение – малых (10 мкм и менее).

Приведенные результаты наглядно подтверждаются данными электронно-микроскопических исследований. Если для неактивированного ГДШ характерно наличие большого количества крупных частиц, то фракционный состав активированного ГДШ представлен в основном частицами во много раз меньшими, чем размер частиц неактивированного ГДШ (рисунке 2). Структура активированного ГДШ с большим количеством мелких частиц имеет довольно плотную упаковку, что является свидетельством как агрегации частиц шлака, так и явной гидравлической активности последнего, ускоренной гидродинамической активацией.

Тогда как даже в возрасте 28 суток неактивированный ОМШ обладает крайне низкой гидравлической активностью, и прочность образцов при сжатии не превышает 0,5 МПа, то в результате активации она резко увеличивается, достигая 3 МПа.

Для ГДШ благодаря обработке в РПА марочная прочность образцов возрастает почти в три раза (с 3,5 МПа до 9,1 МПа).

При исследовании влияния гидродинамической активации на изменение удельной поверхности НШ и ФГ следует отметить примерно те же закономерности и неуклонное возрастание удельной поверхности, измеренной как методом воздухопроницаемости, так и методом низкотемпературной адсорбции азота, происходящее в процессе активации.

В результате гидродинамической активации прочность образцов МВК различного состав возрастает в первые сутки гидратации в 5-8 раз, на 28 сутки – в 2,5-5 раз. Полученные результаты по прочности МВК свидетельствуют о возможности их использования в качестве бесцементных вяжущих для получения теплоизоляционного монолитного пенобетона в ограждающих конструкциях зданий.

а)	б)

Рисунок 2 – Микроструктура неактивированного (а) и активированного (б) гранулированного доменного шлака Новолипецкого металлургического комбината

Для приготовления пенобетона использовались наиболее оптимальные составы МВК на основе гранулированного доменного шлака и нефелинового шлама. На рисунке 3 показана кинетика роста прочности пенобетона плотностью 500 кг/м³ на основе нефелинового шлама и гранулированного доменного шлака при соотношении НШ:ГДШ = 30:70.

Как показали исследования, прочность пенобетона значительно повышается не только в ранние сроки, но сохраняет тенденцию к повышению и в поздние сроки, что свидетельствует об увеличении долговечности материала. На рисунке 4 показана зависимость прочности пенобетона от соотношения нефелинового шлама (НШ) и гранулированного доменного шлака (ГДШ) и времени активации.

Рисунок 3 – Кинетика роста прочности пенобетона плотностью 500 кг/м³ на основе нефелинового шлама (НШ) и гранулированного доменного шлака (ГДШ) при соотношении НШ:ГДШ=30:70:

1-без активации компонентов и добавок; 2,3-при активации компонентов соответственно в течение 0,5 мин и 1 мин.; 4-при активации компонентов совместно с добавкой 0,5 мас, % стеарата кальция;

5-без активации 0,5 мас. % стеарата кальция.

Рисунок 4 – Зависимость прочности пенобетона плотностью 500 кг/м³ от соотношения компонентов бесцементного вяжущего на основе нефелинового шлама (НШ) и гранулированного доменного

шлака (ГДШ) и времени активации, 28 сут. твердения.

Заключение

1. Проведенные исследования показали возможность получения и использования дешевых бесцементных вяжущих и мелкодисперсных промышленных отходов для получения пенобетона для энергоэффективных ограждающих конструкций зданий.

2. Активация высокодисперсного бесцементного вяжущего на основе гранулированного доменного шлака и нефелинового шлама в пропорции 70:30 даёт резкий прирост прочности пенобетона во все сроки твердения.

Литература

1 Плотников, В.В. Активированные наноструктуры для синтеза композиционных строительных материалов» [Текст]/В.В. Плотников. – Брянск.: БГИТА, 2009. – 185 с.

2 Плотников, В.В. Современные технологии повышения теплозащиты зданий [Текст]/ В.В. Плотников, В.М.Ботаговский. – Брянск.: БГИТА, 2010. – 199 с.

3 Плотников, В.В. Современные конструкционные, теплоизоляционные и отделочные материалы и изделия для стен зданий [Текст]/ В.В. Плотников. – Брянск.: БГИТА, 2010. – 150 с.

1.19	ДЕКОРАТИВНЫЙ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН С НАНОДИСПЕРСНОЙ ДОБАВКОЙ ДИОКСИДА ТИТАНА