Энергосберегающая технология получения безобжиговых материалов с использованием техногенного сырья

Развитие индивидуального жилищного строительства позволяет вовлекать в производство безобжиговые материалы и изделия на основе местного сырья и промышленных отходов. Последние отличаются меньшими энергетическими затратами на их производство, высокой скоростью набора прочности в естественных условиях, высокими декоративными свойствами. Известен опыт использования различных отходов промышленности для производства безоб-жиговых изделий [1].

Существенный экономический и экологический эффект дает использование отходов асбестоцементного производства, так называемого асбестита и отходов измельченного шифера, который образуется в результате капитального ремонта крыш [2].

На 2022 г. Фондом капитального ремонта в г. Улан-Удэ запланировано заменить 150 тыс. м2 асбестоцементных листов с крыш многоквартирных домов. Ранее асбестоцементные листы, бывшие в употреблении, вывозились на полигоны и не использовались в качестве вторичного сырья.

Целью работы является разработка технологии получения строительных материалов на основе хризотилцементных и золошлаковых отходов [3]. В России и других странах внедряются в производство мини-заводы по производству безобжиговых изделий различного назначения. Строительство таких мини-заводов не требует больших капитальных затрат и отличается небольшими сроками окупаемости [4].

Технология традиционных стеновых материалов отличается высокой стоимостью из-за затрат на тепловую обработку. Мы предлагаем использовать альтернативную безобжиговую технологию для изготовления изделий на основе местного природного и вторичного сырья с использованием высоких давлений прессования и вибропрессования на основе хризотилце-ментных и золошлаковых отходов, которые находятся в хранилищах и отвалах [5].

Объем выпуска керамического кирпича в Республике Бурятия в 2020 г. составил 36,6 млн. шт. усл. кирпича, при этом ни один завод в республике не производит облицовочный кирпич, а потребность в нем восполняется за счет привозного кирпича других регионов городов Красноярска и Иркутска – керамического кирпича, из г. Читы – силикатного кирпича, а также из Китая.

Материалы и методы исследования

Были разработаны и исследованы составы для получения мелкоштучных строительных материалов, таких как стеновые, кровельные и дорожные материалы, на основе хризотилцементных заводских отходов (ХЦОЗ) – ООО «Тимлюйский завод», хризотилцементных отходов – измельченного шифера (ХЦО) и золошлаковых отходов (ЗШО) Улан-Удэнской ТЭЦ 1 [6]. В таблицах 1 и 2 приведены химические составы отходов.

Таблица 1 - Химический состав золошлаковых отходов ТЭЦ 1, масс., %

Материал/оксиды	SiO 2	Al 2 O 3	CaO	Fe 2 O 3	MgO	R 2 O	FeO	SO 3	ппп
Золошлаковые отходы	61,88	20,11	4,6	4,16	2,26	1,00	2,0	0,59	3,40

Насыпная плотность ЗШО составила 620 кг/м3, истинная плотность – 2,37 г/ см3 , удельная поверхность – 100–150 м2/кг.

Таблица 2 - Химический состав хризотилцементных отходов

Вид хризотилцементных отходов	Содержание оксидов, масс., %
	SiO 2	Fe 2 O 3	Al 2 O 3	CaO	CaO св	MgO	SO 3	RO 2	ппп
Заводские      отходы ХЦОЗ	20,0	4,2	3,9	49	5,6	6,2	1,3	0,6	15,6
Измельченный  шифер (ХЦО)	20,1	4,2	4,1	50,1	5,5	6,2	1,3	0,5	14,8

Насыпная плотность ХЦО составила 950 г/м3. В составе хризотилцементных отходов присутствует около 50 % окиси кальция, что свидетельствует об основности отходов и о том, что в них присутствуют непрогидратированные частицы цемента [7].

В качестве вяжущего использовался портландцемент класса В32,5 (М400) Тимлюй-ского цементного завода.

Результаты исследований и их обсуждение

Поскольку для безобжиговых стеновых материалов нормативные документы отсутствуют, подбирались составы, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 379-2015 «Кирпич, камни, блоки и плиты перегородочные силикатные. Общие технические условия».

Варьировалось давление прессования с 20 до 40 МПа с целью определения оптимального значения на ХЦОЗ и ХЦО (табл. 3).

Таблица 3 - Влияние давления прессования бесцементных образцов с использованием ХЦО и ХЦОЗ на физико-механические свойства

№ п/п	Состав образцов	Давление прессования, МПа	Водотвердое отношение	Средняя плотность, кг/м3	Прочность при сжатии, МПа после 28 сут твердения
1	(ХЦОЗ+ХЦО), 1:1	20	0,20	1680	9,4
2	(ХЦОЗ+ХЦО), 1:1	30	0,20	1710	10,5
3	(ХЦОЗ+ХЦО), 1:1	40	0,21	1860	14,5
4	ХЦО	20	0,11	1746	9,7
5	ХЦО	30	0,11	1776	13,6
6	ХЦО	40	0,11	1830	14,2

Для первых трех составов с увеличением давления прессования от 20 до 40 МПа, прочность при сжатии повысилась от 9,4 до 14,5 МПа, т. е. на 60 %, а средняя плотность - с 1680 до 1860 кг/м³, марка кирпича М100 достигнута при давлении прессования 30 МПа на составе из смеси хризотилцементных отходов без добавления цемента.

При использовании хризотилцементного отхода без добавления портландцемента прочность повысилась с 9,7 до 14,2 МПа при увеличении давления прессования от 20 до 40 МПа и на 22 % при давлении прессования 30 МПа по сравнению с составом из смеси отходов, т. е. измельченный шифер без использования заводского отхода показал более высокий результат и при давлении 30 МПа получена марка кирпича М125. Разработанные составы можно рекомендовать и для получения кровельной черепицы.

Хризотилцементные заводские отходы и измельченный шифер даже без предварительной обработки показывают свойства неорганического вяжущего, т. е. при затворении водой способны затвердевать, а при прессовании в тонкоизмельченном виде эффект усиливается, так как давление прессования влияет на кинетику физико-химических процессов. Под его влиянием высвобождается избыточная поверхностная энергия, которая способствует более сильному взаимодействию частиц и значительному ускорению формирования структуры материала. Наиболее оптимальным способом активации отходов является помол в мельнице, помол производился до удельной поверхности 2000 см2/г, что обеспечило образование новых поверхностей на цементных зернах, способных к гидратации, а также увеличилась удельная поверхность хризотиловых волокон. В результате адсорбции гидроокиси кальция хризотилом, в без-обжиговом кирпиче хризотиловые частицы являются центрами кристаллизации гидратных новообразований, что приводит к росту прочности кирпича.

Далее в состав вводилась золошлаковая смесь Улан-Удэнской ТЭЦ-1 с хризотилце-ментными отходами и добавлением 15 % портландцемента класса В32,5 (табл. 4).

Результаты экспериментов показали, что состав с использованием ХЦО и ЗШО в соотношении 1:1 показал самую высокую прочность при сжатии 32,2 МПа, при давлении прессования 30 МПа, что соответствует марке М300, и при этом водостойкость составила 0,85, водо-поглощение по массе - 6 %. Повышение прочности произошло в результате взаимодействия гидроксида кальция с оксидами кремния и алюминия и протекания реакции пуццоланизации, повышение давления прессования до 40 МПа снизило прочность при сжатии, поэтому оптимальным давлением при использовании ЗШО является 30 МПа [8, 9].

Таблица 4 - Физико-механические свойства безобжиговых изделий с использованием ЗШО ТЭЦ-1, смеси ХЦО и ХЦОЗ и ХЦО при расходе портландцемента 15 %

№ п/п	Наименование образца и соотношение компонентов	Давление прессования, МПа	Водотвердое отношение	Средняя плотность, кг/м3	Прочность при сжатии, МПа, после 28 сут твердения
1	ПЦ+(ЗШО:ХЦО), 1,5:1	20	0,14	1584	20,7
2	ПЦ+ЗШО:(ХЦО+ХЦОЗ), 1:1	20	0,15	1666	22,0
3	ПЦ+ЗШО:(ХЦО), 1:1	30	0,23	1650	32,2
4	ПЦ+ЗШО:(ХЦО), 1,5:1	30	0,13	1805	29,4
5	ПЦ+ЗШО:(ХЦО+ХЦОЗ), 1:1	30	0,15	1732	27,7
6	ПЦ+ЗШО:(ХЦО), 1:1	40	0,12	1635	27,6
7	ПЦ+ЗШО:(ХЦО+ХЦОЗ), 1,5:1	40	0,08	1719	28,9

Далее подбирались составы с заменой ЗШО на кварцполевошпатовый песок и добавлением 15 % цемента к хризотилцементным отходам в соотношении 1:1. При этом получены прочности при сжатии 31,9 - 34,2 МПа (табл. 5), что также подтверждает получение марки без-обжигового изделия М300.

Таблица 5 - Физико-механические свойства безобжиговых изделий с использованием ХЦО в смеси с песком при расходе цемента 15 %

№ п/п	Наименование образцов и соотношение компонентов	Давление прессования, МПа	Водотвердое отношение	Средняя плотность, кг/м3	Прочность при сжатии, МПа после 28 сут твердения
1	ПЦ+(песок: ХЦО) 1:1	20	0,15	2080	25,2
2	ПЦ+песок: (ХЦО+ХЦОЗ) 1:1	20	0,15	1966	24,0
3	ПЦ+песок: (ХЦО+ХЦОЗ) 1:1	30	0,18	1984	28,2
4	ПЦ+(песок: ХЦО) 1:1	30	0,15	2210	33,3
5	ПЦ+песок: (ХЦО+ХЦОЗ) 1:1	40	0,15	1990	31,9
6	ПЦ+(песок: ХЦО) 1:1	40	0,10	2042	34,2

Анализ результатов, представленных в таблице 5, показал, что составы с использованием ХЦО с заводскими отходами в смеси с песком имеют прочность при сжатии образцов в среднем на 10 % ниже, чем образцы на основе ХЦО с песком при всех давлениях прессования. При этом получены прочности при сжатии от 24,0 до 34,2 МПа, т. е. для составов ХЦО с песком оптимальным давлением является давление прессования 30 МПа, и составы № 4, 5 и 6 можно рекомендовать для изготовления тротуарной плитки и бордюрного камня.

Кроме того, получен облицовочный кирпич М125-М150 с использованием хризотилце-ментных отходов, с добавлением синей лазури и молотого керамического кирпича в качестве пигментов в количестве 2–4 % без добавления цемента [10].

По результатам исследований была разработана технологическая схема производства стеновых, кровельных и дорожных изделий с использованием отходов строительного и теплоэнергетического комплекса.

Выводы

Результаты экспериментов показали, что малоэнергоемкая технология с использованием хризотилцементных и золошлаковых отходов позволяет получить безобжиговые изделия различного назначения: кирпич рядовой и облицовочный марок М100 - М125 без вяжущего, (как самого дорогостоящего компонента) при оптимальном давлении прессования 30 МПа, кровельную черепицу с пигментами и без них, а также мелкоштучные изделия дорожного назначения.

Стеновые материалы могут быть использованы для строительства в сейсмических районах, кровельная прессованная черепица для устройства покрытий зданий, а разработанные составы класса В22,5 на хризотилцементных отходах в смеси с золошлаковыми отходами и в составе с песком при расходе цемента 15 % - для изготовления мелкоштучных дорожных материалов.

Таким образом, экспериментально подтверждена эффективность технологии гиперпрессования при производстве строительных материалов с использованием хризотилцемент-ных и золошлаковых отходов с целью организации мобильных энергосберегающих производств.