Выбор рациональных областей применения промышленных отходов в технологии жаростойкого бетона

Эффективной разновидностью материалов, предназначенных для эксплуатации в области высоких температур, являются жаростойкие бетоны. Применение их вместо штучных огнеупоров снижает трудозатраты, уменьшает сроки строительства, позволяет быстро изготавливать изделия любой формы, зачастую повышает долговечность футеровки. В отличие от традиционных огнеупоров бетоны не требуют обжига. Производство изделий из жаростойкого бетона проще и более гибкое, чем штучных огнеупоров. Соответственно, в общем объеме огнеупоров доля бетонов и «неформованных огнеупоров» неуклонно увеличивается с 1970-х гг., как в нашей стране, так и за рубежом.

По ряду причин, в нашей стране всегда широко использовались заполнители и компоненты вяжущего из промышленных отходов. Это бой вторичных огнеупоров, некоторые шлаки, дисперсные отходы абразивных и ряда химических производств и т. д. В результате снижалась стоимость материалов. Попутно решали проблему утилизации промышленных отходов. В то же время, в Европе и США делается акцент на качестве материалов, поэтому широко используются чистые компоненты. Так, до настоящего времени в США практически не перерабатываются вторичные огнеупоры.

Ввиду многообразия промышленных отходов, пригодных для использования в технологии жаростойкого бетона, нормативная литература отражает, как правило, лишь общие требования к некоторым из них (содержание вредных примесей, химический состав, огнеупорность). Это усложняет для потенциальных потребителей выбор оптимальных областей применения огнеупорных промышленных отходов [1].

Вначале необходимо сформулировать общие требования к промышленным отходам, используемым в технологии жаростойкого бетона [2, 3]. К таковым следует отнести:

• 1.    Преобладание компонентов, обеспечивающих формирование огнеупорных соединений или содержащие их (А1₂О₃, Cr₂O₃, TiO₂, шпинели, форстерит, SiC и др.):

• -    глиноземистые отходы, обеспечивающие высокую температуру применения, хорошо сочетаются с алюминатными цементами и фосфатными вяжущими (шлаки выплавки вторичного алюминия, отходы производств корунда, катализаторов, отработанные катализаторы, шламы водоподготовки и т. д.);

• -    хромглиноземистые отходы, обеспечивающие формирование стабильных фосфатов при невысоких температурах (феррохромовые шлаки, отходы производств катализаторов, шламы абразивной обработки, травления и т. д.);

• -    отходы, содержащие свободную двуокись титана, что обеспечивает быструю кристаллизацию фосфатов (шламы, отходы пигментных производств, производства титанистого корунда и т. д.);

• - отходы, содержащие карбид кремния (бой тиглей, нагревателей, отходы производства абразивов, карбида кремния);

• -    корундовые и шпинелидные отходы (шлаки алюминотремических производств, отходы производства корунда и т. д.);

• -    отходы, содержащие примеси свободных Fe₂O₃, СаО, MgO, R₂O. В малых количествах спо-

• Строительные материалы, изделия и конструкции

собствуют интенсивному набору прочности и тепловыделению в фосфатных бетонах (шлаки выплавки вторичного алюминия, отходы, богатые алюминатами кальция и т. д.).

• - алюмосиликатные отходы, обладающие активностью по отношению к фосфатному связующему (отходы производства шамота, вторичный шамот и т. д.);

• -    алюмокальциевые шлаки ферросплавных производств, представляющие собой клинкер алюминатных цементов;

• 2.    Фазовый состав:

• -    отходы с преобладанием соединений в активной форме - компоненты вяжущего (отходы химических производств, катализаторов, отработанных катализаторов, травильных производств и т. д.);

• -    отходы с преобладанием закристаллизованных соединений - для заполнителей (феррохромо-вые шлаки, отходы корундовых производств, шлаки алюминотермических производств и т. д.).

• 3.    Фракционный состав отходов, позволяющий снизить затраты на измельчение:

• -    дисперсные отходы как компонент вяжущего или тонкомолотая добавка (пыли, шламы, отработанные катализаторы и т. д.) [7];

• -    кусковые материалы (шлаки, вторичные огнеупоры), пригодные для использования в качестве заполнителя.

Существующие классификации побочных продуктов промышленности обычно отражают только химический состав и генезис. Так как промышленные отходы имеют сложный состав, применить классификацию по химсоставу, подобную принятой для огнеупоров, возможно только для вторичных огнеупоров. Применительно к остальным видам отходов допустимо говорить лишь качественно о содержании каких-либо соединений в значимых количествах.

Определение рациональных областей применения отходов в технологии жаростойкого бетона требует иных принципов систематизации. Необходимо сгруппировать материалы с точки зрения общих свойств, значимых для технологии [4, 5]. Таковыми свойствами являются:

• -    дисперсность;

• -    химический состав;

• -    фазовый состав, отражающий химическую активность по отношению к затворителям и вяжущим.

Оптимальная последовательность классификации: фракционный состав - фазовый состав -химический состав (по важнейшим огнеупорным оксидам, характерным химическим соединениям или вредным примесям). Промышленные отходы, используемые как компоненты жаростойких бетонов на портландцементе, здесь не рассматриваются, так как этот вопрос подробно освещен в литературе. Предложенная ниже классификация отражает наиболее целесообразные области применения побочных продуктов промышленности в вяжущих и бетонах на жидком стекле, глиноземистом (ГЦ) и высокоглиноземистом (ВГЦ) цементах, магнезиальном вяжущем, а также фосфатных связках (ФС) - всех видах вяжущих, широко используемых для жаростойких бетонов.

• А.    Дисперсные промышленные отходы, содержащие металлический алюминий. Шлаки алюминиевой промышленности и т. д. - газообразова-тель для ячеистых бетонов; экзотермическая добавка, обеспечивающая твердение бетонов на ФС; сырье для ФС.

Б. Дисперсные отходы, содержащие огнеупорные соединения, пригодные для использования в составе вяжущего или тонкомолотой добавки [2, 3].

• 1.    Содержащие свободные оксиды металлов.

  • 1.1.    Содержащие А1₂О₃. Отработанные катализаторы нефтехимических производств, отсевы носителя катализатора дегидрирования углеводородов для нефтехимической промышленности, отработанные сорбенты водоподготовки, пыли и шламы абразивных производств и т. д.

    • 1.1.1.    Высокоактивные, содержащие термоактивированный глинозем, способные к гидратации и ранним твердофазным реакциям при обжиге. В процессе спекания - шпинелеобразующий компонент, добавка в высокоглиноземистые вяжущие, бетоны на ФС, сырье для ФС.

    • 1.1.2.    Малоактивные, содержащие глинозем. Повышают температуру применения. В процессе спекания - шпинелеобразующий компонент, добавка в бетоны на ГЦ, ВГЦ, компонент ФС.

    • 1.1.3.    Инертные, содержащие а-А1₂О₃. Повышают температуру применения бетонов. В процессе спекания - шпинелеобразующий компонент, заполнитель в бетоны на ВГЦ, ФС.

  • 1.2.    Содержащие Сг₂О₃. Травильные шламы, отработанные катализаторы. Добавки в бетоны на ФС, сырье для ФС. Снижают температуру образования стабильных фосфатов, повышают температуру применения и прочность бетонов на ФС. В процессе спекания - шпинелеобразующий компонент.

  • 1.3.    Содержащие ТЮ₂. Отходы производства пигментов. Добавки в бетоны на ФС, ускоряют кристаллизацию фосфатов, повышают огнеупорность.

  • 1.4.    Содержащие оксиды железа. Пиритные огарки — компонент бетонов на ФС, твердеющих без применения сушки.

  • 1.5.    Содержащие MgO.

    • 1.5.1.    Содержащие активный MgO. Пыли газоочистки огнеупорных производств. При неполном связывании могут вызывать разрушение бетонов. Вяжущее для магнезиальных бетонов.

    • 1.5.2.    Содержащие MgO в форме периклаза. Сырье для ФС, компонент ФС, заполнитель в магнезиальных бетонах.

  • 1.6.    Содержащие шпинели. Пыли огнеупорных производств - огнеупорный заполнитель в бетонах на ГЦ, ВГЦ, ФС.

  • 1.7.    Содержащие алюмосиликаты. Отходы при производстве муллита, шамотных и пирофиллитовых изделий. Активны по отношению к ФС, огнеупорный заполнитель в бетонах на ГЦ ВГЦ ФС.

  • 1.8.    Содержащие некоторые силикаты кальция, например y-C₂S. Самораспадающиеся стале-

    Абызов В.А.

    
    

Выбор рациональных областей применения промышленных отходов в технологии жаростойкого бетона плавильные шлаки, нефелиновые шламы, являются отвердителем для бетонов на жидком стекле.

• 1.9.    Содержащие гидроксиды трехвалентных металлов Cr³⁺, Al³⁺, Fe³⁺ (шламы травильных и химических производств). Применение: компонент вяжущего в бетонах на ФС [8].

• 1.10.    Содержащие карбид кремния. Применение: наполнитель, повышающий термическую стойкость и огнеупорность.

• 1.11.    Содержащие малые количества свободных СаО, MgO, R₂O в сочетании со значительными количествами огнеупорных соединений (А1₂О₃, Сг₂О₃, шпинели и др.). Снижают температуру твердения, способствуют экзотермии в процессе твердения, ускоряют набор прочности в бетонах на ФС.

• 1.12.    Содержащие продукты полной или частичной дегидратации гидроалюмосиликатов (огнеупорных глин). Пыли газоочистки шамотных производств - компонент ФС.

• В.    Кусковые материалы (шлаки, вторичные огнеупоры).

• 1.    Содержащие химически активные соединения. Целесообразно использовать после помола как компонент вяжущего.

  • 1.1.    Содержащие алюминаты кальция (СА, СА₂, С₁₂А₇). Шлаки алюминотермического производства, шлаки ферросплавных производств. После помола могут использоваться как вяжущие, а также в сочетании с ГЦ и ВГЦ.

  • 1.2.    Содержащие хромглиноземистые соединения и небольшие количества алюминатов кальция. Шлаки алюминотермических производств. После помола - компонент вяжущего в бетонах на ФС [8].

  • 1.3.    Содержащие оксиды железа. Пиритные огарки - компонент ФС, твердеющих при нормальных температурах (без сушки).

• 2.    Содержащие закристаллизованные, стабильные соединения. Пригодны для использования только в качестве заполнителей.

  • 2.1.    Корундовые и шпинелидные отходы (шлаки алюминотермических производств, отходы производства корунда и т. д.).

  • 2.2.    Алюмосиликатные отходы (вторичные шамотные и пирофиллитовые огнеупоры).

  • 2.3.    Хромглиноземистые отходы (феррохро-мовые шлаки). Заполнитель в бетонах на ВГЦ, хорошо сочетаются с ФС.

  • 2.4.    Карбидкремниевые отходы (бой тиглей, нагревателей, отходы абразивных производств). Заполнитель, повышающий термическую стойкость.

  • 2.5.    Содержащие форстерит (бой форстеритовой керамики). Заполнитель, повышающий термическую стойкость.

Подобная классификация упрощает выбор оптимальных областей применения промышленных отходов, пригодных для использования в производстве жаростойкого бетона, позволит выработать единый подход к их использованию.