Исследование возможности получения безобжигового кирпича с использованием твердых асбестоцементных отходов

В настоящее врہемя от 10 до 99 % промышленного сырہья прہеврہащается в отходы, загрہязнہящие окружающую природную среду. Техногенные отходы нہегативнہо влияют нہа экологическую ситуацию, т.е. оказывают отрہицательнہое влиянہие на атмосферہнہый воздух и гидрہосферہу. В связи с этим необходимо более полное и комплексное использование таких резервов минерального сырья, к которым относятся различные отходы промышленного производства.

В качестве основного стенового материала при строительстве зданий и сооружений в Республике Бурятия сейчас используется керамический кирпич, что значительно удорожает стоимость зданий и сооружений.

Технологии изготовления традиционных стеновых материалов, получаемых методами обжига или тепловлажностной обработки, характеризуются высоким расходом топлива. Так, при производстве керамического кирпича тепловые расходы соответствуют 130-150, а силикатного - 30-50 кг условного топлива на 1000 шт. кирпича.

Многие западные страны, такие как Германия, Италия, Испания и другие, частично отказались от производства керамического кирпича как неэнергоэффективного и в течение ряда лет производят безобжиговые материалы для стен.

Сегодня в России и за рубежом внедряются мини-заводы по производству безобжигового кирпича с использованием промышленных отходов, в том числе с асбестоцементными, так как технология не требует тепловой обработки и позволяет выпускать кирпич на основе местного сырья и отходов промышленности в условиях, исключающих испарение влаги, и быстро окупает вложения в проекты с их использованием [1, 2].

В последнее время появились новые разработки и внедрены технологии производства безобжигового кирпича методом прессования на мини-заводах, таких как завод «Муромец», фирма «Русич», и технологических комплексах компаний «Besseg» и «Kent-1», позволяющие получать стеновые, перегородочные, фундаментные и бордюрные камни, а также облицовочные и тротуарные плитки. Естественные условия твердения эффективны в области экономии электроэнергии, технологические линии позволяют использовать различные виды сырьевых материалов.

В лаборатории строительных материалов кафедры СМАДиД в теченہие рہяда лет исследуются безобжиговые материалы на основе природного минерального сырья и отходов промышленности. Проведены исследования по возможнہости полученہия строительных матерہиалов и изделий нہа оснہове золошлаковых отходов Уланہ-Удэнہских ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, отходов бетонных заводов и заводов керамического кирпича и т.д. Исследованہия показали, что все эти отходы можно утилизирہовать и прہи этом получать качественные стрہоительнہые матерہиалы, сохрہанہяя природное сырہье.

Согласно ФЗ 271 [3] в Республике Бурятия планируется капитальный ремонт крыш многоквартирных домов, в большинстве своем выполненных из асбестоцементных листов (шифера). В ходе ремонтных работ будет образовываться большое количество асбоцементных отходов, которые являются ценным вторичным сырьем.

Асбестоцементные отходы 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.

Анہализ литерہатурہнہых источнہиков и патентных исследований свидетельствует о том, что большинہство предложений по утилизации асестоцементных отходов (АЦО) связанہо с получением матерہиалов и изделий, в которых отходы выступают либо в качестве заполнителя в композициях с неорганическими вяжущими материалами, либо в качестве самостоятельного вяжущего. Необходимо отметить, что твердые АЦО содержат гидрат окиси кальция и непро-гидратированные клинкерные минералы, которые при затворении водой гидратируются и в процессе твердения способствуют повышению прочности.

Во всех асбестоцементных производствах образуется два вида отходов: сухие (твердые) и влажные. Твердые асбестоцементные отходы представляют собой брак, бой асбестоцементных изделий, куски, обрезки листов, стружку, а также пыль от их резки и шлифовки, улавливаемую в циклонах и фильтрах.

Целью исследований является получение безобжиговых мелкоштучных стеновых изделий методом гиперпрессования с использованием асбестоцементных отходов и определение основных физико-механических характеристик изделий.

Материалы и методы

В исследованиях для получения безобжигового кирпича использовались следующие сырьевые материалы: портландцемент ЦЕМI 32,5Н 31108-2016 (ООО «Тимлюйский цементный завод»), твердые АЦО и вода.

Химический состав АЦО представленہ основными оксидами СаО и SiO2, общее содержание которых в среднем составляет 69 % и небольшим количеством оксидов алюминия и магния. Минеральный состав АЦО - гидросиликаты, гидроалюминаты, гидроксид и карбонат кальция, а также хризотил-асбест [4, 5].

Содержание цемента в смесях варьировалось от 0 до 5%, в качестве заполнителей использовались твердые асбестоцементные отходы для образцов 5×5×5 см с размером зерен заполнителя до 5 мм. Вода для приготовления безобжигового кирпича удовлетворяла требованиям ГОСТ 23732 с водородным показателем рН, равным 5.

Подбирались составы сырьевых смесей без цемента и с содержанием цемента 5 % от общей массы, водотвердое отношение изменялось от 0,1 до 0,12 для бесцементных образцов и от 0,12 до 0,13 для образцов с расходом цемента 5%.

Из приготовленных бетонных смесей на гидравлическом прессе при удельных давлениях от 20 до 40 МПа прессовались образцы, которые хранились в условиях, исключающих испарение влаги (под пленкой), в течение 3 сут.

Прессование имеет ряд достоинств: сокращение длительности сушки изделий и всего технологического цикла, получение более прочных отформованных изделий; отсутствие тепловой обработки, снижение расхода цемента.

Результаты и обсуждение

В лаборатории строительных материалов ВСГУТУ разработаны составы для получения стеновых материалов на основе твердых АЦО. Для получения стеновых материалов подбирались составы, удовлетворяющие нормативным требованиям для силикатного кирпича, так как для безобжиговых стеновых материалов нормативные документы отсутствуют.

Предполагаемые составы для получения безобжиговых стеновых изделий позволяют в трехсуточном возрасте в условиях, исключающих испарение влаги, получить 70-75% от марочной прочности и могут транспортироваться без ущерба для качества.

Результаты определения физико-механических свойств образцов без использования портландцемента приведены в таблице 1.

Таблица 1

Влияние давления прессования на физико-механические свойства образцов на твердых АЦО без портландцемента

№ п/п	Наименование образца	Давление прессования, МПа	Водотвердое отношение	Средняя плотность, кг/м3	Прочность при сжатии в 7-суточном возрасте, МПа
1	Твердые АЦО	20	0,120	1720	6,5
2		30	0,110	1820	11,4
3		40	0,100	1880	14,4

Прикладываемое внешнее прессующее давление увеличивает сырцовую прочность, значительно ускоряет процесс формирования структуры цементного камня, оказывает влияние на кинетику физико-химических процессов, происходящих при твердении в цементном камне и кирпиче. При этом улучшаются физико-механические и гидрофизические характеристики кирпича в результате снижения количества макропор за счет отжатия воздуха, снижается расход вяжущего, уменьшаются энергетические затраты вследствие исключения тепловой обработки, предоставляется возможность использования некондиционных и техногенных продуктов. Процесс твердения при этом значительно ускоряется, и уже в 7-суточном возрасте прочность при сжатии образцов составила 95-97 % от марочной прочности.

При увеличении давления прессования в два раза прочность образцов увеличилась в 2,2 раза, т.е. для бесцементных образцов давление прессования 20 МПа нецелесообразно, так как при этом давлении не достигается минимальная, требуемая по ГОСТ 379-2015, марка кирпича М 100.

Далее были исследованы образцы с добавлением в сырьевую смесь 5 % портландцемента, введение которого может либо улучшить физико-механические свойства кирпича, либо снизить давление прессования изделий (табл. 2).

Анализ результатов испытаний показал, что при увеличении давления прессования с 20 до 40 МПа прочность образцов увеличилась незначительно – на 11 %. А введение небольшого количества цемента (5 %) показывает, что безобжиговый кирпич можно получить и при давлении 20 МПа, снижая нагрузку на технологическое оборудование и сокращая энергозатраты на формование изделий.

Таблица 2

Физико-механические свойства образцов при расходе ПЦ 5%

№ п/п	Нہаименہованہие обрہазца	Давленہие прہессованہия, МПа	Водотвердое отношение	Средняя плотность, кг/м3	Прочность при сжатии в 7-суточном возрасте, МПа
1	Твердые АЦО + 5% ПЦ	20	0,130	1860	15,3
2		30	0,125	1980	16,4
3		40	0,120	2000	16,9

Таким образом, при использовании минимального расхода цемента 5 %, можно принять давление прессования 20 МПа, а для бесцементных образцов требуется давление 30 МПа и более. Кроме того, прессование способствует образованию мелкокристаллической стуктуры цеменہтнہого камнہя, и в результате уплотнения цементного геля прессованием он имеет меньшее количество микродефектов и внутренних напряжений [6].

Были определены гидрофизические свойства образцов на всех исследуемых составах - водостойкость и водопоглощение по массе (табл. 3).

Таблица 3 Гидрофизические свойства

№ п/п	Нہаименہованہие обрہазца	Давленہие прессования, МПа	Водотвердое отношение	Водопоглощение по массе,ہ,,,,,,%	Коэффициент размягчения
1	Твердые АЦО	20	0,120	16,4	0,7
2		30	0,110	15,7	0,8
3		40	0,108	14,2	0,81
1	Тверہдые АЦО + 5% ПЦ	20	0,130	11,7	0,8
2		30	0,125	11,3	0,81
3		40	0,120	11,1	0,9

Испытания показали, что при увеличении давления прессования с 20 до 40 МПа водопо-глощение по массе уменьшилось на 10-11%, водостойкость повысилась на 10-15% соответственно, для бесцементных и цементных образцов, что подтверждает снижение пористости изделий при действии механических напряжений.

При удельном давлении прессования 20 МПа прочность при сжатии кирпича в 2,4 раза повысилась по сравнению с образцами без цемента, при этом получена марка безобжигового кирпича М150. Введение цемента в сырьевую смесь позволило снизить удельное давление прессования и улучшить физико-механические характеристики изделий.

Эксперименты показали, что увеличение давления прессования повышает прочность при сжатии и среднюю плотность образцов и улучшает гидрофизические свойства образцов.

Образцы безобжигового кирпича были испытаны на морозостойкость по ГОСТ 7025-91 «Кирпич и камни керамические и силикатные. Методы определения водопоглощения, плотности и контроля морозостойкости». Испытания показали, что образцы выдержали 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания без видимых признаков разрушения и с получением коэффициента морозостойкости, равным 0,85.

По результатам исследований разработана эффективная технология производства кирпича на основе сухих АЦО, включающая следующие операции:

• •    дробление сухих АЦО, рассев на фракции 5-10 и 0-5 мм;

• •    приготовление сырьевой композиции перемешиванием предварительно дозированных сухих АЦО, ПЦ и воды;

• •    формование на гидравлическом прессе при давлении 20-30 МПа;

• •    твердение в условиях, исключающих испарение влаги под пленкой в течение 3-7 сут.

Выводы

В результате проведенных исследований получен безобжиговый кирпич марок М100 и М125 на твердых асбестоцементных отходах без вяжущего, и марки М150 на составах с расходом портландцемента 5% и твердых АЦО, что соответствует ГОСТ 379-2015.

Полученный кирпич может быть использован для кладки стен малоэтажных зданий и как заполнение каркаса в многоэтажных каркасных зданиях, для устройства перегородок, цокольных этажей, а также для кладки стен гаражей, подсобных помещений и др.

Расчетные технико-экономические показатели по разработанным составам и технологической схеме показывают экономическую целесообразность производства кирпича методом гиперпрессования с использованием АЦО. При этом себестоимость изделий снижается на 2025% по сравнению с силикатным кирпичом.