Материалы и изделия из техногенного и вторичного сырья. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВОНАУКИИВЫСШЕГООБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГООБРАЗОВАНИЯ «КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим.Х.М.БЕРБЕКОВА»

МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ИЗ ТЕХНОГЕННОГО И ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским советом КБГУ в качестве учебного пособия для обучающихся

по направлению подготовки 08.03.01 Строительство

Нальчик

КБГУ

2023

УДК 69 (075.8) ББК 38.3 я73 М34

Рецензенты:

кафедра «Землеустройство и экспертиза недвижимости» Кабардино-Балкарского государственного аграрного университета им. В.М. Кокова

доктор технических наук, профессор, директор ФГБУ «Высокогорный геофизический институт»

М.Ю. Беккиев

Авторы: Ципинов А.С., Хежев Т.А., Кажаров А.Р., Кокоев М.Н.

М34 Ципинов, А. С. Материалы и изделия из техногенного и вторичного сырья : учебное пособие / А. С. Ципинов, Т. А. Хежев, А. Р. Кажаров, М. Н. Кокоев ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова. – Нальчик :

Каб.-Балк. ун-т, 2023. – 68 с. – Библиогр. : с. 67. – 50 экз. –

Текст : непосредственный.

Издание содержит описание лабораторных и практических работ, методические указания по выполнению студентами инженерных задач по соответствующим темам с указанием последовательности расчета, порядка оформления работ, сдачи отчета по выполненным работам и рекомендуемая литература.

Предназначено для обучающихся по направлению подготовки «Строительство».

УДК 69 (075.8) ББК 38.3 я73

Ципинов А.С., Хежев Т.А., Кажаров А.Р., Кокоев М.Н., 2023

2

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………….. 4

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1. Классификация техногенного сырья по различным признакам и основные требования к ним …. 5 Лабораторная работа № 1. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в техногенных материалах ……………………… 13 Лабораторная работа № 2. Испытание отходов разработки вулканических туфов Каменского карьера ……………………………….. 20 ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2. Разработка технологических схем переработки туфовых отходов в пористые заполнители бетонов

ирастворов …………………………………………………………… 26

Лабораторная работа № 3. Проектирование состава мелкозернистого легкого бетона для стеновых камней из отходов туфовых разработок ……………………………………………………………. 28

Лабораторная работа № 4. Проектирование состава легкого конструкционного бетона из отходов туфовых разработок …………... 32 Лабораторная работа № 5. Испытание «хвостов» производства ТВМК …………………………………………………………………. 37

Лабораторная работа № 6. Испытание карбонатных отходов производства Заюковского карьера …………………………………….. 41 Лабораторная работа № 7. Испытание золы–уноса Новочеркас-

ской ГРЭС …………………………………………………………….. 49

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3. Изучение свойств материалов

иизделий на основе отходов переработки древесины …………….. 55

ЛИТЕРАТУРА ……………………………………………………….. 67

3

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с санитарными нормами понятие «строительный мусор» – это отходы, возникшие в процессе реконструкции, ремонта, демонтажа сооружений. Кроме строительного мусора, хозяйственная деятельность человека, связанная с извлечением и переработкой сырья (до 20 т сырья на каждого жителя нашей планеты), приводит к образованию колоссального количества промышленных отходов. Основными «производителями» многотоннажных, техногенных отходов являются: горнообогатительная, металлургическая, химическая, лесная и деревообрабатывающая, текстильная отрасли промышленности, энергетический комплекс, промышленность строительных материалов, агропромышленный ком- плекс,бытоваядеятельностьчеловека(ТБО–твердыебытовыеотходы).

Из отраслей материального производства, способных потреблять промышленные (техногенные) отходы, наиболее емкой является промышленность строительных материалов. Многие отходы по своему составу и свойствам близки к природному сырью. Установлено, что использование промышленных отходов позволяет покрыть до 40 % потребности строительства в сырьевых ресурсах.

В настоящее время большой процент строительных и отделочных материалов производится из промышленных отходов, и они соответствуют всем действующим нормам. А в ближайшем будущем нас ждёт бум материалов из бытового мусора (вторичного пластика и макулатуры), которые перед выходом на рынок будут тоже тщательно проверены на экологичность.

Шлаки, золу и другие фракции, образующиеся на заводах, комбинатах и ТЭЦ, уже много лет применяют в производстве стройматериалов. Изготовление строительных материалов из отходов выгодно обеим сторонам: одно предприятие экономит на утилизации и получает дополнительный доход, а второе – производит стройматериалы с меньшими затратами и нередко выше по качеству.

Одна из актуальнейших экологических проблем сегодня — переработка пластика, который составляет огромный процент бытовых отходов. Разнообразные марки полимеров (PET, полиэтилен, ПВХ, полистирол и другие) не разлагаются естественным путём в течение сотен лет, при горении выделяют вредные вещества, приводят к отравлению почвы и причиняют вред животным. Переработка отходов в строительные материалы – это технически несложный и эффективный способ дать использованному пластику новую жизнь.

4

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1

КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ПО РАЗЛИЧНЫМ ПРИЗНАКАМ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К НИМ

Цель: изучение классификации техногенного сырья для строительных материалов по различным признакам, требований к ним и возможных путей их использования в строительстве.

Общие сведения

Человеческое общество в результате своей производственной деятельности производит в конце концов только отходы. В связи с истощением природных ресурсов будущее цивилизации будет зависеть от того как человек сможет распоряжаться этими, им же произведенными материалами: останутся ли они в категории бесполезных отходов загрязняющих, окружающую природную среду или перейдут в разряд техногенных ресурсов.

Классификация техногенного сырья

По классификации Баженова П.И. техногенное сырье по агрегатному состоянию в момент его выделения из основного технологического процесса разделяется на три класса.

1.Продукты, не утратившие природных свойств (карьерные остатки при добыче горных пород; остатки после обогащения породы на полезное ископаемое).

2.Искусственные продукты, полученные в результате глубоких физико-химических процессов, образовавшиеся:

– при обработке ниже температуры спекания (Тспек);

– при условии полного или частичного расплавления исходного

сырья;

– при осаждении из расплава при Т <200 оС.

3.Продукты, образовавшиеся в результате длительного хранения отходов в отвалах (жидкие: растворы, эмульсии, грязи; твердые: щебень, пески, порошки).

Минеральным сырьем 1 класса являются попутные продукты промышленности нерудных строительных материалов и горнообогатительных комбинатов (ГОК). «Хвосты» обогащения ГОКов, содержащие в основном кварц, полевые шпаты, карбонаты кальция и магния, могут использоваться в качестве заполнителей для производства бетонных и растворных смесей, если по размеру зерен удовлетворяют требованиям действующих стандартов.

5

Техногенным сырьем 2 класса являются металлургические шлаки, золы и шлаки, образовавшиеся при сжигании твердого топлива на ТЭС, шламы глиноземной и химической промышленности, пыль газоочистки производства ферросилиция и другие. Эти продукты, во многом различаясь по химическому и минералогическому составу, могут использоваться и в качестве вяжущего материала и как минеральные добавки в бетонах и растворах.

Продукты 3 класса пока не находят широкого применения в производстве строительных материалов из-за разнообразия процессов, происходящих в отвалах. Наиболее подробно изучены горелые породы угледобывающей промышленности, которые могут применяться как неактивные минеральные компоненты бетонных и растворных смесей.

За критерий химической активности техногенного сырья можно принять коэффициент основности (Косн) силикатов Баженова П.И.:

Косн = [CaO + 0,93MgO + 0,6R2O) – (0,55Al2O3 + 0,35Fe2O3 + 0,7SO3 +

Числитель приведенной формулы (1) показывает, сколько процентов СаО остается для образования силикатов кальция, а знаменатель – сколько СаО необходимо для образования моносиликатов кальция. Если Косн =1, образуется СS, при Косн =1,5, следует ожидать образования СS и С2S, при Косн = 2, образуется С2S.

По химической характеристике (АГ) минеральные материалы разделяется на 5 групп:

–от 1,6 до +∞ – ультраосновные (обладают свойствами вяжущих);

–от 1,2 до 1,6 – основные (гидравлически активные добавки);

–от 0,8 до 1,2 – средние (сырье для материалов автоклавного твердения);

–от 0,0 до 0,8 – кислые (сырье для керамических материалов, стекла, минеральной ваты);

–от 0,0 до –∞ – ультракислые (сырье для керамики, стекла и др.). В табл. 1 приведены химический состав и коэффициент основности

наиболее распространенных промышленных отходов, используемых в бетонах и растворах в качестве активных минеральных добавок [1].

6

Таблица 1 Химический состав активных минеральных добавок

7

Эффективным сырьем для производства активных минеральных тонкодисперсных добавок в бетоны и растворы являются зола-уноса ТЭС, обладающая удельной поверхностью порядка Sуд = 3000...3500 см2/г и микрокремнезем, имеющий Sуд = 20000...22000 см2/г. Эти отходы не требуют специальной подготовки при их введении в бетонную или растворную смесь. При этом, однако, следует учитывать, что при использовании зол и шлаков их свойства в значительной степени зависят от химического состава и свойств исходного сырья и могут колебаться в широких пределах.

К добавкам пуццоланического действия относятся ультрадисперсные отходы ферросплавного производства, содержащие более 90 % аморфного кремнезема и состоящие из тонкодисперсных сферических стекловидных частиц. Основной предпосылкой использования таких добавок в производстве вяжущих и бетонов является их способность в смеси с известью за первые 5...7 ч нормального твердения связывать до 7 % СаО в низкоосновные гидросиликаты кальция при соотношении между известью и добавкой 1:1 по массе.

Имеются данные, что 1 кг микросилики может заменить 3...4 кг цемента в бетоне при обеспечении той же прочности в 7 и 28-суточном возрасте. Важное отличие добавки состоит в том, что эффект пуццолановой реакции проявляется на ранних стадиях твердения более интенсивно, чем при использовании золы-уноса.

Использование в бетонах и растворах отходов ферросплавного производства и других подобных минеральных веществ является перспективным направлением в технологии бетона, так как, являясь вторичным цементирующим материалом, они в значительной мере способствуют повышению технической и экономической эффективности бетона.

В процессе выплавки чугуна в доменных печах образуется большое количество шлаков, которые целесообразно использовать в качестве добавок в бетонах и растворах. Для производства активных дисперсных добавок целесообразно отбирать расплавы доменных шлаков, образующихся при горячем или нормальном «ходе» (тепловом режиме) доменной печи. Для получения добавок наиболее подходят быстро охлажденные гранулированные расплавы, поэтому в качестве добавок лучше использовать остеклованные шлаки.

Некоторые шлаковые расплавы в результате силикатного распада превращаются в тонкодисперсный порошок «доменную муку», которая почти полностью состоит из гидравлически активного белита и может

8

применяться как активная минеральная добавка без дополнительного помола, что экономически весьма целесообразно.

Большим резервом производства строительных материалов является вторичное сырье цветной металлургии. В алюминиевой промышленности основной техногенный продукт – шламовые отходы, количество которых в отвалах исчисляется десятками миллионов тонн. При переработке бокситов на глинозем образуется красный бокситовый шлам, характеризующийся рядом ценных свойств: высокой степенью дисперсности, постоянным химическим составом и водотвердым отношением, значительным содержанием полуторных оксидов.

Для определения оптимального количества минеральных добавок необходимо проводить экспериментальные исследования с целью установить зависимость изменения прочности бетона от количества добавки: Rb = ƒ (МД). Для этого изготавливаются образцы из смеси цемента и различного количества добавки, которые после 7- и 28-суточного твердения при нормальных условиях или сразу после пропаривания испытываются на прочность.

Исследованиями установлено, что характер изменения прочности бетона с минеральными добавками связан со способностью добавок работать как микронаполнители. При малых дозировках добавки её частицы, равномерно распределяясь в тесте, играют роль включений, снижающих однородность и прочность цементного камня. При оптимальном содержании добавки в системе «цемент + минеральная добавка» прочность бетона повышается, достигая максимума. В этом случае частицы минеральной добавки играют роль элементов структуры цементного камня. Дальнейшее увеличение дисперсного материала приводит к разбавлению цемента добавкой и нарушению непосредственных контактов между частицами цемента, что ведет к снижению прочности.

Следует различать экономически оптимальное количество минеральной добавки, найденное из условия минимизации расхода цемента или стоимости бетона, и структурно-оптимальное, обусловленное физическим состоянием системы или структуры, связанное с перераспределением частиц в цементном тесте. Предпочтение следует отдавать структурно-оптимальному количеству добавки, потому что бетонам с такой организацией структуры соответствует максимальное значение прочности – отклик системы «Ц+МД» на оптимизацию дисперсионной среды (цементного теста) в бетоне.

Виды техногенного сырья КБР приведены в табл. 2.

9

Таблица 2

Некоторые виды техногенного сырья КБР, их состояние и возможные пути использования в строительстве

10