Микронаполнитель для строительных растворов – из шлама

0

Серьезной проблемой на растворных узлах является изготовление кладочных и штукатурных цементно-известковых строительных растворов. Введение извести в виде известкового молока требует дополнительных технологических операций, при этом существует опасность передозировки воды и получение растворных смесей с повышенной подвижностью. Также известь является самостоятельным вяжущим в растворах и имеет достаточно высокую стоимость, сопоставимую со стоимостью цемента.

В  проводимых исследованиях ставилась задача получения карбонатосодержащего порошкового наполнителя, применение которого позволит производить цементные и известковые растворы, соответствующие требованиям СТБ 1307 и не уступающие по своим свойствам традиционным строительным растворам. При этом наполнитель можно будет применять как для изготовления растворных смесей на растворобетонных узлах, так и для выпуска сухих строительных смесей.

В качестве исходного сырьевого материала для получения порошкового наполнителя использовали вторичный продукт ТЭЦ и котельных – карбонатосодержащий шлам водоочистки. Его получают в результате устранения жесткости воды на тепловых электроцентралях и котельных. Общая жесткость воды определяется карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткостью. Карбонатная жесткость обусловлена присутствием в воде в основном гидрокарбонатов кальция, магния, и практически полностью устраняется при кипячении воды. Гидрокарбонаты при этом распадаются с образованием угольной кислоты. В осадок выпадает карбонат кальция и гидроксид магния. Некарбонатная жесткость обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей серной, соляной и азотной кислот и при кипячении не устраняется. Хотя ионы Mg2+ и Са2+ и не приносят особого вреда живым организмам, однако наличие их в воде в большом количестве нежелательно, поскольку такая вода непригодна для хозяйственных нужд. Жесткая вода неприменима и для систем оборотного водоснабжения, для питания паровых котлов и прочего. Поэтому необходимо производить уменьшение карбонатной и некарбонатной жесткости воды. Умягчение воды известкованием применяют при ее высокой карбонатной и низкой некарбонатной жесткости, а также когда не требуется удалять из воды соли некарбонатной жесткости. В качестве реагента используют известь, которую вводят в виде раствора или суспензии (молока) в предварительно подогретую обрабатываемую воду.

Растворяясь, известь обогащает воду ионами OH– и Са2+, что приводит к связыванию pacтвopeннoгo в воде свободного оксида углерода с образованием карбонатных ионов и переходу гидрокарбонатных ионов в карбонатные. Затем известь реагирует с присутствующим в воде бикарбонатом кальция. При реакции извести с бикарбонатом магния образуется растворимое в воде соединение – карбонат магния и в результате в осадок выпадает гидроксид магния. Также известь реагирует с сульфатом магния, таким образом образуется нерастворимый гидроксид магния и сульфат кальция. После известкования вода обрабатывается сульфатом железа, который осаждает все взвеси и примеси в виде коллоидной массы. В процессе коагуляции двухвалентное железо окисляется и образует гидроксид железа.

Частицы гидроксида железа образуют цепочные структуры, на поверхности которых адсорбируются коллоидные примеси воды. При построении цепочных структур, сочлененных в кольца, образуются поры, заполненные водой. В результате сорбции с коагулировавшимися частицами гидроксида железа коллоидных частиц, примесей, воды формируются хлопья, они оседают под действием силы тяжести, увлекая за собой взвешенные частицы. Отделение очищенной воды от шлама осуществляется на специальных аппаратах – осветлителях.

Проблема утилизации шлама в Беларуси не решена до настоящего времени. На многих электроцентралях и котельных шлам подают на шламовые карты. Этот способ утилизации ведет к постепенному отторжению земель под новые шламовые карты и ухудшению экологической обстановки в регионах. В том числе на Новополоцкой ТЭЦ шлам водоочистки концентрацией 10-15 % по трубопроводу подают на шламовые карты, где происходит его отстаивание и накопление. После наполнения карт воду спускают, шлам в виде пастообразной массы вывозят на полигон твердых отходов.

На некоторых тепловых электроцентралях (например на Полоцкой ТЭЦ) вопрос утилизации шлама водоочистки решен в большей степени. Шлам поступает на вакуум-фильтры, на которых он частично обезвоживается до концентрации 45-55 % и вывозится автосамосвалами на городскую свалку, где используется в качестве накрывочного слоя при захоронении мусора. Однако частичное обезвоживание шлама является затратным, потому что предполагает использование энергоемкой технологии с применением пневмонасосов. Данное технологическое решение применяется только на отдельных ТЭЦ при отсутствии шламонакопительных карт.

Сегодня не существует универсального метода обработки и утилизации шламовых осадков. Во многих странах существует тенденция, направленная на отказ от накопления вторичного продукта в шламонакопителях, оказывающих негативное влияние на окружающую среду.

Кроме того, ТЭЦ и котельные ежемесячно платят экологический сбор за хранение или вывоз шлама на свалки в размере 5-11 млн руб. в зависимости от объемов получения вторичного продукта.

Ряд тепловых электростанций России, в частности ОАО «Мосэнерго», по согласованию с местными администрациями районов используют шлам водоочистки для засыпки карьеров и оврагов.

В Республике Беларусь наиболее остро вопрос утилизации стоит в Витебской области. На территории региона образуется 3,2 тыс. т шлама в год, что составляет практически половину от всего получаемого объема в стране. Основной объем шлама (2,9 тыс. т) образуется на Новополоцкой ТЭЦ, производящей очистку воды для технологического потребления таких промышленных гигантов как ОАО «Нафтан» и завод «Полимир», а также для бытовых нужд жителей города Новополоцка.

Анализ химических составов шламов тепловых электроцентралей по регионам Республики Беларусь позволяет сделать вывод о том, что основными соединениями, входящими в его состав, являются карбонат кальция (CaCO3) в количестве 64-70 % и основный карбонат магния (3MgCO•MgOH•2H2O) – 6-10 %.

Для получения карбонатосодержащего наполнителя используемый в лабораторных исследованиях шлам, прошедший через вакуум-фильтры или осветлители на тепловых электроцентралях, высушивали, охлаждали на воздухе и размалывали.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что на основании доступного многотоннажного вторичного продукта возможно получение экологически безопасного многофункционального наполнителя для строительных растворов, имеющего по сравнению с применяемой известью при расчете на 1 мраствора на 45-55 % более низкую стоимость, позволяющего одновременно решить локальные экологические проблемы регионов.

Применение математического планирования эксперимента и статистических методов обработки полученных экспериментальных данных позволило построить корреляционные зависимости по расслаиваемости и водоудерживающей способности цементных растворных смесей и прочности цементных растворов. Использование полиномиальных моделей дало возможность определить оптимальную дозировку наполнителя в количестве 70-90 % от расчетной массы извести при максимальном размере частиц 60-90 мкм. Для штукатурных известковых растворов наилучшие показатели по основным свойствам достигаются при замене 40-50 % извести по массе наполнителем в количестве 80 % от сокращаемого расхода извести при максимальном размере частиц 80 мкм.

Полученные результаты использованы при определении коэффициента Кн, учитывающего максимальный размер частиц наполнителя, в зависимости от марки раствора в разработанной методике расчета состава строительного цементного раствора с наполнителем.

Установлены преимущества полученного наполнителя, заключающиеся в увеличении жизнеспособности кладочных растворных смесей в 1,6-2,2 раза, в возрастании прочности на сжатие раствора в шве кладки на 30 %, в прочности сцепления раствора с основанием на 30-50 %. При этом обеспечиваются нормативные требования к кладочным растворным смесям по расслаиваемости, водоудерживающей способности, подвижности, а также к растворам по морозостойкости. Кроме того, показатели по водопоглощению, кинетики набора прочности при долгосрочных исследованиях находятся на уровне значений цементно-известковых растворов. Следовательно, при использовании наполнителя обеспечивается комплекс характеристик кладки, гарантирующий ее несущую способность, монолитность, долговечность и эксплуатационную надежность.

Введение наполнителя в штукатурные составы позволяет получить растворы, соответствующие по подвижности, расслаиваемости, водоудерживающей способности, прочности и морозостойкости, требуемым показателям качества. При этом оптимальный расход вводимого наполнителя позволяет снизить усадочные деформации штукатурных растворов на 40-60 %, увеличить прочность на сжатие в возрасте 7 суток штукатурных известковых растворов на 60 %, а также жизнеспособность штукатурных цементных растворных смесей в 1,5-2 раза, способствует повышению прочности сцепления растворов с поверхностью на 30-35 %, что снижает вероятность отслоения штукатурного слоя от поверхности элементов конструкций при возникновении динамических нагрузок и в особенности вибрационных воздействий.

Применение карбонатосодержащего наполнителя на основе шлама водоочистки в виде порошковой добавки позволит производить цементные растворные смеси не только на растворобетонных узлах, но и выпускать сухие растворные смеси, соответствующие требованиям по качеству.

Результаты научных исследований реализованы в полученных патентах на изобретение и полезную модель, в разработанной методике по определению прочности раствора из шва кладки и расчета составов цементных растворов с наполнителем.

По результатам исследований разработаны технические условия ТУ BY 300220696.050-2010 «Наполнитель карбонатосодержащий для строительных растворов. Технические условия». При проведении экспертизы технических условий на наполнитель в ГУ «Республиканский центр гигиены, эпидемиологии и общественного здоровья» установлено:

  •  по параметру острой внутрижелудочной токсичности наполнитель согласно классификации относится к IV классу опасности (малоопасное вещество);
  •  в условиях однократного воздействия на кожные покровы экспериментальных животных наполнитель в нативном виде обладает слабо выраженным кожно-раздражающим действием;
  •  при одометрических исследованиях наполнитель не имеет запаха;
  •  по содержанию радионуклидов не превышает допустимое значение 13,8 < 370 Бк/кг.

Таким образом, наполнитель является экологически безопасным продуктом.

На технической ярмарке-выставке в Санкт-Петербурге в 2011 году разработка «Микронаполнитель для строительных растворов» в номинации «Лучший инновационный проект в области новых материалов и химических продуктов» получила диплом II степени с вручением серебряной медали.

Исследования проводились в рамках выполнения кандидатской диссертации «Строительные растворы с карбонатосодержащим наполнителем из вторичного продукта водоподготовки» аспиранта кафедры «Строительное производство» Юлии Вишняковой.

В соответствии с программой по реконструкции Новополоцкой ТЭЦ в 2013-2014 годах предполагается смонтировать установку по частичному обезвоживанию шлама. Образующиеся объемы шлама дадут возможность наладить выпуск наполнителя и обеспечить потребности завода «Новополоцкжелезобетон» для производства строительных растворов.

Александр БАКАТОВИЧ, декан инженерно-строительного факультета Полоцкого государственного университета

 

Leave A Reply

Your email address will not be published.