Экология строительных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный

Политехнический Университет

Факультет Технической Кибернетики

Кафедра Измерительных Информационных Технологий

Реферат на тему:

«Экология строительных материалов»

2012



Содержание

Введение

1. Классификация строительных материалов

1.1 Природные строительные материалы

1.2 Искусственные строительные материалы

1.3 Вяжущие материалы

1.4 Цемент

1.5 Шлакопортландцемент

1.6 Строительная керамика

1.7 Кирпич

1.8 Черепица

1.9 Керамзит и аглопорит

1.10 Стекло

1.11 Ситалл и шлакоситалл

1.12 Металлические материалы

2. Свойства строительных материалов

2.1 Основные свойства строительных материалов

2.2 Классификация и структура материалов

2.3 Механические свойства строительных материалов

2.4 Физические свойства строительных материалов

2.5 Химические свойства строительных материалов

2.6 Экологические свойства строительных материалов

3. Экологическая оценка строительных материалов

3.1 Экологическая оценка строительных материалов по показателям их гигиенической безопасности при обосновании выбора отделочных материалов для интерьеров

3.2 Экологическая оценка строительных материалов по показателям их радиационной безопасности (радиационная гигиена)

3.3 Экологическая оценка строительных материалов по показателям пожарной безопасности

4. Экологические риски при производстве строительных материалов

4.1 Факторы экологического риска и его классификация

4.2 Производство строительных материалов и вредные вещества, попадающие в атмосферу при их производстве

5. Экологически чистые строительные материалы

5.1 Неэкологичные строительные материалы

5.2 Абсолютно экологичные стройматериалы

5.3 Условно экологические стройматериалы

5.4 Эко маркировка

6. Влияние строительных материалов на здоровье человека и экологию помещения

6.1 Основные критерии безопасности и характеристики для оценки влияния строительных материалов на здоровье человека

6.2 Экологические пути улучшения санитарно-гигиенических свойств отделочных строительных материалов

7. Экологические проблемы, связанные с производством строительных материалов и пути их решения

7.1 Производства, влияющие на окружающую среду

7.2 Рациональное использование строительных материалов

8. Нормативно правовая база

Глоссарий основных понятий и терминов

Заключение

Список литературы



Введение

В основу всех мероприятий по экологической защите положен принцип нормирования качества окружающей природной среды. Этот термин означает установление нормативов (показателей) допустимых воздействий человека на природную среду. А под самим качеством окружающей природной среды понимают степень соответствия ее характеристик потребностям людей и технологическим требованиям.

Согласно природоохранному закону Российской Федерации (2002) соблюдение экологических нормативов обеспечивает:

– экологическую безопасность населения;

– сохранение генетического фонда человека, растений и животных;

– рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов в целях устойчивого развития.

Основные экологические нормативы качества и воздействия на окружающую природную среду подразделяются на:

санитарно-гигиенические:

– предельно допустимая концентрация вредных веществ (ПДК);

– допустимый уровень физических воздействий (шума, вибрации, ионизирующих излучений и др.);

производственно-хозяйственные:

– допустимый выброс вредных веществ;

– допустимый сброс вредных веществ;

– допустимое изъятие компонентов природной среды;

– норматив образования отходов производства и потребления;

комплексные показатели:

– допустимая антропогенная нагрузка на окружающую природную среду;

– нормативы санитарно-защитных зон;

– строительные и градостроительные правила и т.п.;

Предельно допустимая концентрация (ПДК) -- представляет собой количество загрязнителя в почве, воздушной или водной среде, которое при постоянном или временном воздействии на человека не влияет на его здоровье и не вызывает неблагоприятных последствий у его потомства, а также минимизирует экологический ущерб природным сообществам.

Для атмосферного воздуха установлены два норматива, ПДК -- разовый и среднесуточный. Максимальна разовая предельно допустимая концентрация (ПДК_м.р.) не должна вызывать, при вдыхании воздуха в течение 30 минут рефлекторных реакций в организме человека (ощущение запаха, изменение световой чувствительности глаз и др.). Среднесуточная предельно допустимая концентрация (ПДК_с.с.) не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействие при определенно долгом (годы) воздействии.

Допустимый уровень радиационного и иного физического воздействия на окружающую среду -- это уровень, который не представляет опасности для здоровья человека, состояния животных, растений, их генетического фонда. Допустимый уровень радиационного воздействия определяется на основании «Норм радиационной безопасности» (НРБ-96). Установлены нормы и для других физических воздействий.

Допустимый выброс или сброс -- это максимальное количество загрязняющих веществ, которое в единицу времени разрешается выбрасывать данным конкретным предприятием в атмосферу или сбрасывать в водоем, не вызывая при этом превышения в них ПДК загрязняющих веществ и других неблагоприятных экологических последствий.

Допустимые нормы антропогенной нагрузки на окружающую среду -- это максимально возможные антропогенные воздействия на природные ресурсы или комплексы, не приводящие к нарушению устойчивости экологических систем.

В последнее вопросы экологии стали важнейшими проблемами человечества, так как развивающие промышленное производство, транспорт и энергетика резко увеличили нагрузку на окружающую среду. Требует специальных мероприятий борьба с вредными выбросами; возрастают объемы техногенных отходов, так как только незначительная часть природных ресурсов превращается в конечную продукцию, а основная становится отходом; для экологической безопасности требуется повышенный контроль за качеством материалов и производственным процессом.

В зависимости от допустимой температуры применения и остаточной прочности при температурном воздействии в качестве вяжущих используют: ортофосфорную кислоту, жидкое стекло, высокоглиноземистый и глиноземистый, а также обычные портландцементы и шлакопортландцементы. В качестве заполнителей применяют щебень и песок из корунда, циркония, муллитокорунда, шамота, керамзита, вермулита, боя шамотных или высокоглиноземистых огнеупоров и кирпича. Кроме того, в состав бетона обязательно вводят тонкомолотые добавки. В качестве тонкомолотой добавки могут использоваться хромитовая руда, бой шамотного или обычного кирпича, андезит, пемза, лессовидный суглинок, гранулированный доменный шлак, топливный шлак и зола-унос.

Выбор вида бетона определяется в каждом случае в зависимости от условий и температуры службы конструкций (тепловых агрегатов в черной и цветной металлургии, в химической, нефтеперерабатывающей и машиностроительной промышленности, мощных котельных агрегатов и дымовых труб), а также с учетом экономических
показателей - стоимости исходных материалов, возможности использования местного сырья.

1. 

1. Классификация строительных материалов

К основным строительным материалам относятся:

Природные каменные материалы и изделия, получаемые из горных пород путем механической обработки;

Искусственные обожженные каменные материалы из глины: кирпич, керамические блоки, черепица, облицовочные плитки, канализационные трубы, керамзит и аглопорит, санитарно-технические изделия и т.д.;

Минеральные вяжущие вещества: цементы, известь, гипсовые вяжущие, магнезиальные вяжущие, служащие для изготовления растворов и бетонов;

Искусственные каменные необожженные материалы и изделия:силикатный кирпич, асбестоцементные изделия, бетонные изделия, грунтоблоки;

Тепло- и звукоизоляционные материалы: минеральная вата, пеностекло, пеногазобетон, пенокерамика, некоторые органические теплоизоляционные материалы и т. д.;

Битумные вяжущие вещества, гидроизоляционные и кровельные рулонные материалы (рубероид);

Стекло, шлакоситаллы и изделия из них;

Металлические изделия;

Лесоматериалы;

Краски, лаки и другие материалы.

1.1 Природные строительные материалы

Каменные природные строительные материалы -- строительные материалы, получаемые в результате механической обработки горных пород.

Горные породы, используемые для производства, разделяются на следующие группы:

Изверженные глубинные -- гранит, диорит, сиенит, лабрадорит, габбро и др.

Изверженные излившиеся -- базальт, андезит, диабаз, туф вулканический.

Осадочные-- известняк мраморовидиый, плотный, пористый (ракушечник), доломит.

В зависимости от способа обработки различают материалы и изделия из горных пород:

Добываемые выпиливанием из массива (изделия для каменной кладки, мраморные блоки) или выкалыванием (гранитные блоки);

Пиленые из блоков-полуфабрикатов с последующей обработкой (облицовочные плиты, профильные детали);

Колотые, получаемые раскалыванием блоков с последующей обработкой скалывающими инструментами (бортовой камень);

Грубооколотые, без последующей обработки (брусчатка);

Рваные -- продукт взрывания горных пород и последующего разделения на фракции (бутовый камень);

Дробленые (щебень, каменная крошка, песок); молотые (минеральный порошок);

Сортированные, получаемые сортировкой природных залежей окатанных обломков горных пород (валуны, булыжник, гравий);

Плавленые (каменное литье).

Назначение каменных природных строительных материалов определяет выбор горной породы, свойства которой должны соответствовать условиям службы материала или изделий в здании и сооружении.

Для кладки фундаментов применяют бутовый камень, колотый и пиленый камень из осадочных, метаморфических и изверженных горных пород. В современном индустриальном строительстве, как правило, используют бетон или бутобетон.

Изделия для наружной и внутренней облицовки зданий делаются механизированным способом из блоков камня, добываемых без применения взрывных работ, из горных пород, не затронутых выветриванием. Из полученных на карьерах блоков (распиливанием на станках и последующей обработкой) изготавливают также разнообразные изделия и детали -- ступени, парапеты, ограждения и др. Для дорожного строительства применяются камни бортовые, брусчатка, колотый и булыжный камень, щебень, гравий, песок и минеральный порошок

Для подземных сооружений и мостов применяются камни и плиты из изверженных и осадочных пород, которые должны выбираться в соответствии с условиями их службы.

Материалы и изделия для речных и морских гидротехнических сооружений используются в виде камней правильной или неправильной формы из изверженных, метаморфических и осадочных пород. Содержание глины в осадочных породах допускается не более 3,5%; в открытых порах и кавернах -- не более 5%.

1.2 Искусственные строительные материалы

К искусственным строительным материалам относятся: кирпич (силикатный, керамический), бетонные блоки, шлакоблоки. Чаще всего предпочтение отдается искусственным строительным материалам, в том числе обожженному камню, т. к. он имеет определенные размеры, что существенно облегчает работу. Керамические красные камни и кирпич используют для кладки как наружных, так и внутренних стен помещений.

Искусственные строительные материалы и изделия производят в основном из природных сырьевых материалов, реже -- из побочных продуктов промышленности, сельского хозяйства или сырья, получаемого искусственным путем. Вырабатываемые строительные материалы отличаются от исходного природного сырья как по строению, так и по химическому составу, что связано с коренной переработкой сырья в заводских условиях с привлечением для этой цели специального оборудования и энергетических затрат. В заводской переработке участвует органическое (дерево, нефть, газ и др.) и неорганическое (минералы, камень, руды, шлаки и др.) сырье, что позволяет получать многообразный ассортимент материалов, употребляемых в строительстве. Между отдельными видами материалов имеются большие различия в составах, внутреннем строении и качестве, но они и взаимосвязаны как элементы единой материальной системы.

Искусственные строительные материалы получают, в основном, из природных материалов. При этом конечный продукт отличается от использованного в его производстве сырья и по физическим и по химическим свойствам. В процессе переработки сырья происходят различные химические реакции, которые в корне меняют его свойства. В качестве примера можно привести искусственный камень, который может имитировать любой натуральный камень, но при этом он достаточно прочный и доступный в цене.

Природные строительные материалы проходят лишь механическую обработку, при этом сохраняются все химические и физические свойства материалов. Широко применяются сегодня в строительстве такие природные материалы, как песок, гравий, щебень, дерево, камень, глина, известь и др.



1.3 Вяжущие материалы

Вяжущими материалами называются строительные материалы, способные в результате физико-химических процессов переходить из жидкого или тестообразного состояния в твёрдое камневидное, связывая при этом смешанные с ним куски и частицы инертных заполнителей (щебень, гравий, керамзит, песок) в одно монолитное целое (бетон) или соединять кирпич, камни и т.д.

Вяжущие материалы разделяются на неорганические минеральные вещества: цементы, известь, гипс и органические: битумные, дёгтевые, асфальт (применяются в дорожном строительстве, а также при гидроизоляции, кровельных и других работах) [30].

В зависимости от условий твердения вяжущие материалы делятся на две группы:

воздушные - твердеющие и сохраняющие или повышающие свою прочность только на воздухе (известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие);

гидравлические - твердеющие и сохраняющие или повышающие свою прочность не только на воздухе, но и в воде (цементы, гидравлическая известь, получаемые путём смешения цементов или извести с гидравлическими добавками).

Для наземных сооружений применяются воздушные и гидравлические вяжущие материалы, для подземных, гидротехнических, подводных сооружений - только гидравлические.

Воздушная известь, получается, посредством обжига (900^оС) природных материалов, содержащих (известняки, в том числе доломитизированные мел). В основном она состоит из и в таком состоянии называется негашёной известью или кипелкой.

При обработке водой негашёная известь переходит в гашёную, содержащую в основном . При гашении извести ограниченным количеством воды получается пушонка. При гашении извести большим количеством воды образуется известковое тесто или известковоемолоко, которое применяют при изготовлении строительных растворов для кладки стен и штукатурки. В больших количествах известковое молоко используется для нейтрализации и очистки сточных вод. На воздухе известковые растворы постепенно твердеют с кристаллизацией в толще раствора и с образованием в поверхностном слое при взаимодействии с воздуха.

Гипсовые вяжущие на основе получают из природного двухводного гипса (), природного ангидрита () и некоторых отходов промышленности, самым многотоннажным из которых является фосфогипс. Различают быстротвердеющие гипсовые вяжущие, состоящие в основном из полуводного гипса, и медленнотвердеющие, в которые в основном входит безводный гипс. К первым относятся строительный гипс, а также формовочный и медицинский гипсы, ко вторым - ангидритовый цемент и высокообжиговый гипс (обжигаемый при температуре 800 - 1000^оС ), так называемый эстрих-гипс.

Строительный гипс получают термической обработкой гипсового камня и измельчением его после этой обработки. Термическая обработка ведется при l40 - I90^оС при этом двухводный гипс превращается в полуводный.В зависимости от условий термической обработки различают две модификации полуводного гипса: и - полугидраты. Главной составной частью строительного гипса является - полугидрат. Строительный гипс применяют для изготовления известково-гипсовых растворов, для штукатурных работ, для производства листов сухой штукатурки, перегородочных плит, панелей и других строительных деталей. Из строительного гипса изготовляют также искусственный мрамор, декоративные изделия, формы для отливки керамических изделий и другие материалы. В Воскресенском п/о «Минудобрения» было налажено производство облицовочных, декоративных и перегородных гипсовых плит из фосфогипса.

Ангидритовый цемент состоит преимущественно из безводного сернокислого кальция. Его получают обжигом природного двухводного гипса при 600-700°С с последующим измельчением продукта обжига совместно с катализаторами твердения (известь, сульфат или гидросульфат натрия в смеси с железным или медным купоросом и др.), а также тонким измельчением природного ангидрита с катализатором. Ангидритовый цемент применяют для изготовления кладочных и штукатурных растворов, а также для получения бетонов и различных строительных деталей.

Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) получают обжигом природного двухводного гипса или природного ангидрита при 800 - 1000°С с последующим измельчением. При этом происходит не только обезвоживание двухводного гипса, но и частично разложение с образованием свободной извести и в отходящих газах. Эта известь в высокообжиговом гипсе играет роль катализатора. Изделия из высокообжигового гипса имеют высокую прочность на истирание, они мало тепло- и звукопроводны. Поэтому такой гипс применяют для изготовления полов. Высокообжиговый гипс можно также использовать для приготовления строительных растворов и бетонов, искусственного мрамора и других изделий.

Гидравлические вяжущие материалы принадлежат к более сложным веществам, основу которых составляет смесь:

Наиболее известными и распространёнными являются различные цементы.

1.4 Цемент

Цементы составляют большую группу неорганических вяжущих, порошкообразных материалов, образующих при смешении с водой пластичную массу, затвердевающую в прочное каменное тело.Основными видами цементов являются: портландцементы, пуццолановые, шлаковые, глинозёмистые, расширяющиеся, романцементы, цементы с наполнителями.

Наиболее широко применяются портландцементы. По своимсвойствам портландцементы делятся на быстротвердеющие, особо быстротвердеющие, высокопрочные, пластифицированные, гидрофобные, сульфатостойкие, белые и цветные, тампонажные, дорожные и для асбестоцементных изделий. Портландцемент получают тонким помолом клинкера, образующегося в результате обжига до спекания искусственной смеси, в составе которой преобладают силикаты кальция (70-80%).

Химический состав портландцемента (без добавок) включает: 62-76%, 20-24%, 4-7%, 2-5-%, 1,5-4% и другие примеси.

Минералогический состав портландцемента следующий: 40-60%, 15-35%, 4-14%, 10-18%. Вяжущими свойствами обладают силикаты кальция.

Марки цемента (300, 400, 600,700) устанавливаются по пределу прочности при сжатии кубиков из цементного раствора с песком состава 1:3 по массе после 28 дневного твердения (в кг/см²).

Процесс твердения портландцемента в основном определяется гидратацией силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция. При взаимодействии порошка цемента с водой в основном протекают следующие реакции:

Для удобства написания формул различных соединений, с которыми приходится иметь дело в химии и технологии вяжущих соединений, приняты особые сокращенные обозначения, в которых оксиды обозначаются первой буквой относящейся к ним формулы, а индексы около букв означают число эквивалентов данного оксида.

Например,обозначаются как , , и .

Свойства цемента зависят от соотношения основных оксидов в клинкере и могут быть охарактеризованы тремя величинами:

коэффициентом насыщения (КН), %;

коэффициент насыщения кремнезема оксидами кальция выражается следующей формулой:

где - общее содержание оксида кальция в смеси, мас.%, - свободный оксид кальция, т.е. не вошедший в реакцию с другими (кислыми) оксидами, - общее содержание оксида кремния, - не вошедший в реакцию кремнезем, определяемый по величине нерастворимого остатка.

Коэффициент насыщения представляет собой отношение количества оксида кальция, оставшегося после полного насыщения им глинозёма, оксида железа и серного ангидрида соответственно до , и к тому количеству оксида кальция, которое необходимо для полного насыщения кремнезема до .

Величина КН обычно выражается формулой:

Низкий коэффициент насыщения вызывает более медленное твердение вследствие повышенного содержания и пониженного . Поэтому необходимо стремиться к более высокому КН, но при одном непременном условии, чтобы оксид кальция полностью связывался в составляющие клинкер соединения. Для портландцемента КН = 0,8-0,95 %;

силикатным или кремнеземистым модулем (n);

определяющим отношение содержания вошедшей в реакцию кремнекислоты к суммарному содержанию глинозёма и оксида железа:

Для портландцемента n = 1,7-3,5.

Величина n определяет относительное содержание минералов-силикатов (и) и минералов-плавней () и выражается формулой:

Цементы с высоким силикатным модулем медленно схватываются и твердеют, но с течением времени прочность их возрастает и через длительные сроки оказывается весьма высокой. Повышение силикатного модуля увеличивает стойкость цементов в минерализованных водах, но высокийn затрудняет спекание портландцементного клинкера. Низкий же силикатный модуль вызывает затруднения при обжиге из-за легкоплавкости сырьевой смеси, сваривания её в куски и возможности образования на футеровке печи толстого слоя колец (навара), затрудняющего перемещение клинкера вдоль печи;

глинозёмным или алюминатным модулем (Р);

показывающим отношение содержания глинозёма к содержанию оксида железа:

Величина P = 1,0-3,0. Величина Р определяется отношением алюмината к алюмоферриту кальция:

Цементы с высоким глинозёмным модулем, т.е. повышенным содержанием , быстрее схватываются и твердеют, но зато достигнутая в первое время прочность в дальнейшем мало или почти не возрастает. Такие цементы менее устойчивы к действию минерализованных вод. Обжиг их затруднён вследствие повышенной вязкости жидкой фазы, что замедляет процесс образования . При малой же величине глинозёмного модуля, т.е. при более значительном содержании оксида железа, цементы медленно схватываются и твердеют, но дают более высокую конечную прочность. Клинкер в этом случае делается весьма легкоплавким, что может вызывать образование сводов и больших комьев.

Существует два основных способа производства цемента: мокрый и сухой. Производство цемента в основном состоит из следующих операций:

добыча сырья;

приготовление сырьевой смеси (дробление исходных материалов, помол и гомогенизация смеси);

обжиг сырьевой смеси;

помол обожженного продукта в тонкий порошок.

При мокром способе сырьевую смесь измельчают вместе с водой. Получаемая сметанообразная жидкость шлам - содержит 32-45% воды. При мокром способе легче получить однородную (гомогенную) сырьевую смесь и меньше пыление. Поэтому он чаще применяется при значительных колебаниях химического состава известкового и глинистого компонентов. Этот способ используют и тогда, когда сырьевые материалы имеют высокую влажность, легко измельчаются и диспергируются водой. Наличие в гипсе посторонних примесей, для удаления которых необходима вода (отмучивание), также предопределяет выбор мокрого способа (рис.2.1).

Рис.2.1. Схема производства портландцемента по мокрому способу:

1 - подача извести; 2 - подача глины; 3 - сырьевая мельница; 4 - шламобассейны; 5 - вращающаяся печь; 6 - подача угольного порошка; 7 - подготовка угольного порошка; 8 - склад клинкера; 9 - подача гипса; 10 -силосы для цемента; 11 - отгрузка цемента.

Размол сырья в присутствии воды облегчается и на измельчение расходуется меньше энергии (на дробление и помол тратится 60-80% всей электроэнергии, расходуемой на производство цемента). Недостаток мокрого способа - значительно больший расход топлива при обжиге.

По сухому способу сырьевые материалы предварительно высушивают, а затем измельчают. Полученный тонкий порошок называют сырьевой мукой.

Сухой способ производства целесообразен при сырье с относительно меньшей влажностью и более однородным составом. Он же практикуется в случае, когда в сырьевую смесь вместо глины вводят гранулированный доменный шлак. Его же применяют при использовании натуральных мергелей. Расход топлива при сухом способе во вращающихся печах горазда меньше, чем при мокром. Поэтому доля сухого способа в производстве цемента возрастает.

Сырьём для цемента служат природные материалы (гипсовые, известковые, глинистые, мергелистые, магнезиальные, высокоглинозёмистые, кремнезёмистые породы и др.) и промышленные отходы (шлаки, золы, нефелиновый шлам и др.). Регулирование свойств цемента производится при помощи добавок: активных (гидравлических), наполнительных, ускоряющих или замедляющих схватывание, ускоряющих твердение, поверхностно-активных, пеногазообразующих, повышающих кислото- и жаропрочность, и др. Для ускорения обжига клинкера применяют фториды щелочных и щелочноземельных металлов (чаще всего ), соли кремнефтористоводородной кислоты, сернокислый и хлористый кальций и др.

Обжиг сырьевой смеси ведётся при 1450°С во вращающихся и шахтных печах, в которых сырьевая смесь превращается в клинкер. Наиболее часто применяются вращающиеся печи, представляющие собой наклонный (под углом 3-4° к горизонту) вращающийся стальной барабан, в загрузочную часть которого подаётся сырьевая смесь, а со стороны выгрузочной части (головки) печи через форсунки подаётся топливо. Внутри барабан выложен огнеупорной футеровкой. Скорость вращения печи 0,5-1 об/мин. Поступивший в печь материал движется по направлению к головке печи, по пути подвергается обжигу и поступает в холодильник. Материал при обжиге заполняет от 7 до 15% пространства печи. Топочные газы движутся вдоль барабана навстречу обжигаемому материалу, проходят пылеулавливающее устройство и выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу. Длина вращающейся печи колеблется от 60 до 185 м, диаметр от 2,2 до 5 м. Производительность печей 10-75 т/ч.

Сырьевая смесь в печи сначала высушивается (зона сушки) и нагревается до 500-600°С (зона подогрева). При этом выгорают органические вещества и дегидратируются глинистые материалы. При дальнейшем повышении температуры разлагается и образующийся СаО начинает реагировать с составными частями глины (). Процесс разложения с большой скоростью протекает при 900-1200°С (зона кальцинирования). При 1200-1300°С реакция в твёрдом состоянии между СаО и другими оксидами ускоряется и сопровождается выделением тепла (экзотермическая зона). При обжиге в клинкере появляются: , , , , , СаО, MgO и ряд других соединений. При температуре около 1450°С обжигаемый материал частично плавится, возникает жидкая фаза и материал спекается (зона спекания). Большая часть переходит в . При дальнейшем продвижении материала в печи он охлаждается до 1000-1200°С (зона охлаждения) и поступает в холодильник. После обжига охлаждённый в холодильнике клинкер направляется в клинкерный склад, затем дробится и измельчается совместно с гипсом и другими добавками.

На качество портландцемента сильно влияет его гранулометрический состав. Увеличение степени дисперсности цемента даёт положительный эффект только до определённого предела. Удельная поверхность обычного портландцемента без добавок составляет 5000-6000 см²/г.

Полученный цемент пневмотранспортом направляется в железобетонные башни цилиндрической формы (силосы), откуда часть цемента поступает на расфасовку в бумажные мешки, а другая часть отправляется навалом в специальные цементовозы.

1.5 Шлакопортландцемент

Для получения шлаковых цементов, наиболее распространенным из которых является шлакопортландцемент, в сырьевую смесь вводят различные гранулированные шлаки, в основном доменные и электротермофосфорные (до 30-60%).

Шлакопортландцемент получают путём совместного помола портландцементного клинкера и доменного гранулированного шлака или тщательным смешением в сухом виде тех же раздельно измельчённых материалов.

Большим достижением науки в области химии цемента является разработка технологии и организация производства особо быстротвердеющего шлакопортландцемента. Этот цемент, обладающий особыми свойствами, может успешно применяться в гидротехническом, автодорожном и аэродромном строительстве вследствие высокой антикоррозионной стойкости и повышенной текучести, что уменьшает усадочные напряжения и склонность бетона к растрескиванию.

Главным преимуществом шлакопортландцемента, кроме высоких строительно-технических свойств, является реальная экономия при его производстве клинкера и топлива. Использование одной тонны доменного гранулированного шлака экономит 600-700 кг клинкера. При производстве шлакопортландцемента в среднем экономится 30-40% топлива по сравнению с обычным цементом.

Использование доменных шлаков для производства цемента выгодно и металлургам, продающим эти многотоннажные отходы. К этому надо добавить ещё экологические преимущества за счёт уменьшения добычи сырья и отсутствия свалок для шлака со всеми вытекающими отсюда последствиями.

1.6 Строительная керамика

Строительной керамикой называются керамические материалы, применяемые для строительства зданий и различных сооружений. По назначению изделия строительной керамики делятся на:

стеновые изделия (кирпич, керамические камни и панели из них);

фасадные или облицовочные (лицевой кирпич, плитки различного вида);

кровельные (черепица);

канализационные и дренажные трубы;

керамические заполнители для бетонов (керамзит, аглопорит);

санитарно-технические изделия (умывальные столы, ванны, унитазы).

По сложившейся традиции пористые изделия грубозернистого строения из глинистых масс называют грубой керамикой, а изделия плотные, тонкозернистого строения, со спёкшимся черепком, водонепроницаемые, типа фарфорных, называют тонкой строительнойкерамикой. Однако такая классификация является условной и не отражает химической и минералогической природы керамических материалов.

Особенностью строительной керамики является широкое использование повсеместно распространённых в природе легкоплавких и частично тугоплавких глин, сравнительно грубая переработка масс и обжиг изделий при относительно низких температурах, порядка 900-1100°С.

В последние годы в производстве строительной керамики широко используются отходы горнодобывающих отраслей (угледобычи, золы ТЭЦ и другие отходы). В широких масштабах проведены опытно-промышленные испытания использования различных отходов для производства кирпича, пустотелого керамического камня, панелей с высокими экономическими и экологическими показателями. Однако широкому промышленному внедрению этих разработок в значительной мере мешает инертность и обычная бюрократическая волокита.

За последние годы построено много новых крупных полностью механизированных заводов по производству кирпича, фасадных и облицовочных изделий, лёгких керамических заполнителей для бетонов. Созданы мощные перерабатывающие и формирующие механизмы. Современные заводы оснащены высокопроизводительными туннельными печами.

Большие изменения произошли и в самой технологии переработки и обжига изделий. Широко применяется вакуумная переработка масс, сушка в распылительных сушилках. Введены в широкую промышленную практику сушка и обжиг в скоростном режиме. Созданы поточно-механизированные линии по производству плиток, труб, фасонной керамики. В больших масштабах на заводах строительной керамики стали применять автоматический контроль и регулирование механических и тепловых процессов.

1.7 Кирпич

Основным видом стеновой керамики является кирпич глиняный обыкновенный (красный), имеющий форму параллелепипеда размером 250-120-65мм. С целью снижения объемного веса кладки и улучшения теплоизоляционных свойств разработаны различные разновидности кирпича, в том числе дырчатый, пористо-дырчатый, полуторный, пустотелые камни, по размерам кратные обычному кирпичу.

Кирпич изготовляют из глины с отощающими добавками (например, песок, шлак, гидратированная глина) или без них посредством формовки, сушки и обжига. Общая технологическая схема производства кирпича по «мокрому» или «пластичному» способу представлена на рис.2.2 и включает следующие этапы:

добычу глины в карьере и транспортировку её на кирпичный завод;

подготовку глины путём предварительного разрыхления и перемешивания с водой, отощающими и выгорающими добавками и нагревания паром. Выгорающие добавки (древесные опилки, уголь, шлак с остатками топлива и др.) придают изделию повышенную пористость, улучшают теплозащитные свойства и морозостойкость;

формовку сырца с помощью ленточного пресса, из мундштука которого глиняная масса с влажностью (17-35%) выходит в виде ленты и затем разрезается на автоматическом резальном аппарате;

сушку сырца в камерных или туннельных сушках;

обжиг при 900-1100°С преимущественно в туннельных печах.

Кроме «мокрого» способа для изготовления кирпича широко применяется метод прессования, при котором сырец формуется из глиняной массы с влажностью 8-10% на специальных прессах под давлением 100-150 кг/см².

Обжиг кирпича имеет свои особенности, поскольку скорость нагревания и охлаждения существенно влияет на его качество. В период нагрева до 100-150°С, когда происходит интенсивное выделение остаточной влаги сырца, возможно образование трещин и даже разрушение сырца. Далее скорость повышения температуры может быть увеличена вплоть до достижения конечной температуры, при которой требуется несколько часов, чтобы в изделии завершился процесс спекания и усадки. При охлаждении кирпича наиболее опасным является период прохождения температуры 500-600°С, при котором происходят объёмные изменения кварца, почти всегда присутствующего в глинах. Общая длительность обжига составляет 20-48 ч и зависит как от особенностей глин, так и от конструкции печи.

Рис. 2.2. Схема производства строительного кирпича:

1 - экскаватор; 2 - вагонетка с глиной; 3 - бегуны; 4 - подаватель; 5 - ленточный пресс; 6 - вальцы; 7 - многоэтажная вагонетка;

8 - резательный аппарат; 9 - сушила; 10 - туннельная печь; 11 - сырец.

На новых заводах используется исключительно туннельные печи, позволяющие полностью механизировать загрузку и выгрузку сырца и кирпича, улучшить контроль и регулирование процесса и уменьшить расход топлива (благодаря более полному использованию тепла топочных газов).

Туннельная печь представляет собой сплошной канал, в котором обжигаемые изделия передвигаются на вагонетках. В печи имеются три зоны: подогрева, обжига и охлаждения. В зону обжига вводят горячие топочные газы или же газообразное и жидкое топливо, сжигаемое непосредственно в рабочем пространстве. Иногда обогрев происходит через стенку.

Туннельная печь работает следующим образом. Обжигаемые изделия поступают на вагонетках в зону нагрева. Платформы вагонеток плотно прилегают друг к другу, образуя сплошной под (нижняя часть) печи. Продольные края вагонеток имеют щитки, которые продвигаются по песочному затвору, расположенному по обеим сторонам рельсового пути. Таким образом, оси, колеса вагонеток и рельсы защищены от действия высокой температуры, развиваемой в печи. По истечении определённого времени (0,5-3 ч) цепь вагонеток проталкивается вперёд на расстояние, равное длине одной вагонетки. При этом вначале зоны освобождается место для новой вагонетки, а из зоны охлаждения выходит вагонетка с обожжёнными изделиями.

Другим широко распространенным видом кирпича является силикатный, который формуется из смеси кварцевого песка и гашёной извести под давлением до 200 кг/см² с последующим отвердеванием под действием пара (при 175°С и давлении 8 атм) в автоклавах. Силикатный кирпич широко применяется для несущих стен и столбов. Для кладки печей и труб силикатный кирпич не применяется, так как при температуре 500°С его прочность снижается. Не применяется он и для кладки фундаментов и цоколей из-за невысокой водостойкости. Силикатный кирпич дешевле красного, почему он и широко используется для кладки стен зданий. Однако отходы при его производстве практически не применяются.

1.8 Черепица

Черепица является керамическим материалом для покрытия скатов и коньков крыш. Благодаря своим низким эксплуатационным расходам, красивому и нарядному виду во многих районах нашей страны и за рубежом черепица долгое время являлась основным кровельным материалом и в настоящее время, её используют в больших количествах, как в сельском, так и в городском жилищном и промышленном строительстве.

Широко применяется черепица следующих типов:

пазовая штампованная с одинарным или двойным боковым и поперечным закроями и с двумя шипами;

пазовая ленточная с одинарным или двойным боковым закроем с одним или двумя шипами;

плоская ленточная с одним или двумя шипами;

коньковая (желобчатая) с одинарным закроем для перекрытия коньков крыш.

По своей структуре черепица должна быть более плотной, чем кирпич, не должна пропускать влаги и быть морозостойкой и механически прочной. Сырьём для черепицы служат легкоплавкие, хорошо спекающиеся, достаточно пластичные и малочувствительные к сушке глины.

Черепицу изготовляют только способом формования. Предварительно подготавливают так называемуювалюшку. Массу тщательно перерабатывают, мелкие каменистые включения удаляют на камневыделительных вальцах, глину проминают на бегунах. Обжиг черепицы проводят в тех же печах, что и кирпич, при температуре 1100^оС. Часто практикуют комбинированную укладку черепицы с кирпичом, причем черепицу обжигают в верхних рядах печи.

На Палемонасском керамическом заводе (г. Каунас, Литва) впервые в мировой практике освоено производство черепицы с добавкой шламов от очистки сточных вод гальванических производств, в основном состоящих из гидрооксидов железа и содержащих в небольших количествах хром, медь, цинк, олово и другие металлы. Черепица при этом получается более высокого качества (за счет железа). Однако самое главное - это то, что высокотоксичные шламы гальванических производств переводятся в безвредную форму (оксиды, силикаты, алюминаты, ферриты и т.д., практически не растворимые в воде), т.е. решается важнейшая экологическая задача защиты окружающей среды от тяжелых металлов.



1.9 Керамзит и аглопорит

Керамзит и аглопорит условно относят к керамическим материалам, поскольку сырьевые материалы и способы их получения, в том числе термическая обработка, подобны тем, которые применяются в технологии производства строительной керамики из легкоплавких глин. В настоящее время керамзит и аглопорит получают в огромных количествах.

Керамзитом называют искусственный пористый материал ячеистого строения, получаемый путем обжига. Размер керамзитовых гранул (зёрен) обычно не превышает 40 мм. Зерна с меньшим размером называют керамзитовым гравием или щебнем, а материал с зернами меньше 5 мм - керамзитовым песком. Керамзит применяют в качестве заполнителя для теплоизоляционных и конструктивных бетонов, а также для теплоизоляционных засыпок.

Технология керамзита состоит из следующих основных операций:

подготовки сырья;

приготовления гранул и подготовки их к обжигу;

обжига и охлаждения гранул;

рассева материала на фракции с дроблением крупных кусков до требуемого размера.

Обжиг гранул имеет особенности. В обжигаемом глинистом материале при различных температурах протекают сложные физико-химические процессы:

дегидратация;

выгорание органических добавок;

диссоциация;

взаимодействие между компонентами глины;

реакции окисления и восстановления и другие процессы;

образование расплава и размягчение материала.

При быстром обжиге материала температурные интервалы, в которых протекают эти процессы, сближаются и накладываются один на другой, что позволяет совместить процессы газообразования с размягчением материала, - достижением им определенной вязкости, при которой происходит вспучивание глины. При этом важно чтобы к моменту интенсивного газовыделения произошло спекание поверхностного слоя гранул с образованием закрытых пор. В противном случае газы удаляются, не вспучивая материал. Продолжительность обжига обычно составляет 30-60 мин при 1150-1250^оС.

В настоящее время проведены успешные испытания использования нерегенерируемых масел и смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ или эмульсол), широко применяемых в машиностроении и являющихся многотоннажными токсичными отходами, для производства керамзита. Полезно используются отходы машиностроительных производств и, соответственно, уменьшается загрязнение сточных вод этими продуктами.

Аглопоритом называют искусственный пористый зернистый материал ячеистой структуры, получаемый термической обработкой на решетчатых агломерационных машинах глинистых пород и отходов от добычи, обогащения и сжигания углей. Аглопорит состоит в основном из стекла различного состава и является высококачественным заполнителем для армированных и неармированных легких бетонов.

Технологическая схема производства аглопорита состоит из:

подготовки шихты необходимой газопроницаемости;

загрузки шихты на решётку агломерационной машины;

термической обработки шихты при 1400-1700^оС за счет сжигания топлива (специально введённого или имеющегося в шихте) с поверхности при одновременном просасывании воздуха сверху вниз;

охлаждения получаемого бруса или гранул;

дробления охлаждённого продукта;

сортировки аглопорита по фракциям.

В гражданском и промышленном строительстве в больших количествах требуются санитарно-технические изделия: умывальники, унитазы, сливные бачки и другие изделия из фаянса и полуфарфора.

Технологическая схема поточного производства санитарно-технических изделий значительно сложнее, чем получение кирпича, черепицы, керамзита и аглопорита. В качестве сырья для фаянсовых и полуфарфоровых изделий применяют огнеупорные глины (20-30%), каолины (25-32%), кварцевый песок (25-30%), обожженный бой изделий (6-16%), плавни (до 20%).

В полуфарфоровые массы для лучшего спекания материала вводят большое количество плавней (легкоплавкие материалы). Формуют изделия на конвейерах методом литья водных суспензий (шликера) в гипсовые формы с последующими сушкой полуфабриката, нанесением глазури и обжигом при 1240-1280^оС. В состав глазури входят кварц, полевой шпат, мел, мрамор, доломит, сода, поташ, бура, соединения свинца и бария. При обжиге глазурь образует на поверхности изделия тонкий стекловидный слой, повышающий технические и декоративные качества изделий.

1.10 Стекло

Стекло - вещество, полученное при остывании расплава в виде изотропного, хрупкого, прозрачного или просвечивающегося тела. В отличие от кристаллических плит, плавящихся при нагревании, стекло при повышении температуры постепенно размягчается вплоть до образования расплава, при этом постепенно изменяются свойства стекла. Переход стекла из жидкого состояния в твёрдое - обратимый процесс. Затвердевшее стекло, будучи переохлаждённой системой, находится в состоянии неустойчивого равновесия и при определённых температурных условиях может закристаллизоваться.

Количество сортов стёкол (по химическому составу) исчисляется сотнями. Стекло всё шире применяется в качестве строительного материала. Часто применяются стеклянные блоки, обладающие комплексом ценных для строительного материала свойств: малым объёмным весом, высокой прочностью, высокими тепло- и звукоизоляционными качествами. Большие перспективы открываются перед новыми материалами - так называемыми стеклопластиками, в которых стекловолокно и стеклянные плёнки сочетаются с различными связующими органическими материалами. Стеклопластики в ряде случаев не уступают, по прочности, стали и в то же время легче её более чем в 4 раза. Из стеклопластиков изготавливают корпуса кораблей, кузова автомобилей, цистерны, строительные детали (в том числе и прозрачные), разнообразные детали машин и т.д. Стеклопластики заменяют дерево, цветные и чёрные металлы. Стеклопластики по своим свойствам часто превосходят эти материалы, именно поэтому их нередко называют незаменимыми заменителями.

Каждый знает, что основным недостатком стекла является его хрупкость. Однако уже сейчас достигнуты поразительные успехи в повышении прочности стекла. Методами термохимического упрочнения удаётся повысить сопротивление стекла статическому изгибу до 200 кг/мм². Широко распространено производство закалённого стекла, применяемого наряду с многослойным стеклом для остекления автомашин и самолётов, в качестве «безопасного» стекла. Физические свойства стекла в основном определяются химическим составом компонентов, условиями варки стекла и последующей его термической обработкой.

Технология производства стекла включает следующие основные процессы:

подготовку сырьевых материалов;

смешение этих материалов и приготовление однородной шихты;

варку стекла;

формование и обжиг стекла.

В некоторых случаях требуется химическая, механическая и термическая обработка изделий.

Сырьевые материалы, применяемые в производстве стекла, делятся на главные стеклообразующие материалы (чистый кварцевый песок, сода, поташ, сульфат натрия, известняк, доломит, борная кислота или бура, фосфорная кислота или фосфаты, чистый глинозём или каолин, полевой шпат, сурик, оксид цинка и др.) и вспомогательные материалы (красители, обесцвечивающие вещества, окислители, восстановители, осветлители).В качестве красителей применяют соединения металлов (закиси кобальта и никеля, оксиды железа, хрома, марганца, меди, урана, селена, сернистый кадмий, хлорное золото и др.).Обесцвечивающими веществами являются: селен, закись кобальта, оксид марганца. В качестве окислителя в стекольную шихту вводят натриевую или калиевую селитру, мышьяковистый ангидрит, пероксид марганца. Восстановителями служат: уголь, кокс, виннокаменные соли, соединения олова. Для получения матового «молочного» стекла применяют фторсиликат натрия, а также соли фосфорной кислоты с соединениями олова. Осветлителями, т.е. материалами, облегчающими удаление из стекломассы газовых пузырьков, являются нитрат и сульфат аммония, хлорид натрия и другие.

Стекольная шихта должна быть однородной, поскольку от этого зависит качество стекломассы. Поэтому сырьевые материалы предварительно измельчают, просеивают и тщательно перемешивают.

Варка строительного стекла проводится в ванных печах (рис.2.3) и подразделяется на собственно варку, осветление, гомогенизацию и охлаждение (так называемую студку стекла).

Процесс стеклообразования начинается при 1200-1240^оС. Для шихт, содержащих кремнезём, углекислые кальций, магний и натрий, процессы, протекающие между компонентами шихты при нагревании, можно представить следующей схемой:

300^оС ,

400^оС ,

340-620^оС ,

450-700^оС ,

585-900^оС ,

912^оС полное разложение + ,

700-900^оС ,

600-920^оС ,

980-1150^оС ,

1010-1150^оС ,

1200-1240^оС стеклообразование.

Рис. 2.3 Конструкция ванной печи для формовки листового стекла:

а - продольный разрез; б - поперечный разрез; 1 - варочная часть; 2 - зона студки; 3 - заградительное приспособление в области стекломассы (керамические брусья «лодки» или охлаждаемые водой трубы); 4 - перегородка в области пламенного пространства; 5 - горелки; 6 - пламенное пространство; 7 - загрузочный карман.

Варка стекла обычно производится при 1400-1450^оС, осветление и гомогенизация - при 1500^оС, студка - при 1200^оС. Проварившаяся стекломасса, как правило, содержит большое число видимых газовых пузырьков, удаление которых происходит при максимальной температуре и минимальной вязкости.

Формование изделий из стекла почти полностью механизировано. Ручное формование применяется только при изготовлении изделий сложной конфигурации и некоторых бытовых и художественных изделий. В зависимости от химического состава стекломассы формование стеклоизделий производится при 800-1100^оС.

Формование стеклянных изделий производится следующими методами:

вытягиванием (листовое оконное и трубчатое стекло);

прокаткой (толстое зеркальное листовое стекло);

прессованием (плитка, изоляторы, стаканы, вазы);

выдуванием (бутылки, склянки, плафоны);

прессовыдуванием (консервная тара, осветительная арматура).

Для осуществления каждого из этих методов формования применяются разные приспособления и различные по своей конструкции и принципу действия машины.

1.11 Ситалл и шлакоситалл

Ситалламиназываются кристаллические материалы, получаемые при введении в расплавленное стекло катализаторов, в результате чего в объёме материала возникают центры кристаллизации, на которых происходит рост кристаллов основной фазы. Термин «ситаллы» предложен профессором МХТИ им. Д.И. Менделеева И.И. Китайгородским и происходит от слов «стекло» и «кристалл».

...