Использование отходов тепловых электростанций в качестве сырьевого компонента при производстве современных строительных материалов

Преимущества низкой плотности очевидны: при 0,7 г/см3 плотность микросферы составляет примерно 25 % плотности других минеральных наполнителей, однако микросферы сохраняют достаточную прочность, чтобы выдержать необходимые процессы смешивания, присадки и обработки.

Строительная промышленность во всем мире активно переходит на легкие материалы. Низкая плотность обеспечивает удобство использования, большую легкость смешивания, снижение транспортных затрат, низкую просадку и перекос, легкость пескоструйной обработки, обработки резанием, сверления.

Алюмосиликатные микросферы обладают очень низкой реакционной способностью. Их химический состав обеспечивает высокую устойчивость к кислотам и щелочам. Они pH нейтральны и не влияют на химический состав или реакции материалов или изделий, в которых они используются.

Микросферы имеет низкую теплопроводность. В связи с этим, она широко используется в качестве изоляционного материала для огнеупорной керамики, нефтепроводов, геотермических цементов, отделочного и штукатурного гипса для изоляции внешних стен зданий и во многих других случаях, когда требуется хорошая термоизоляция.

Микросфера имеет высокую температуру плавления порядка 1200-1600°C, что значительно выше, чем температура плавления микросфер из синтетического стекла. Поэтому она широко используется для производства высокотемпературной изолирующей огнеупорной керамики, а также огнеупорных покрытий.

Твердая поверхность микросфер обеспечивает их высокую устойчивость к эрозии. Стекловидная оболочка микросферы полностью непроницаема для жидкостей и газов.

Известен состав легкого бетона, который изготовляется с использованием цемента и полых микросфер (патент RU N°2154619 Cl, "Лeгкий бетон", C04B38/08, 20.08.2000).

Легкий бетон на основе микросферы обладает улучшенными технологическими характеристиками: повышенной прочностью при уменьшении объемной массы. По сравнению с известными легкими бетонами, бетон на основе микросфер в 1,2 раза легче и в 3 раза прочнее. Разработанный легкий бетон может использоваться для футеровки промышленных печей, работающих при температурах до 1200°С.

Введение микросферы в качестве заполнителя позволяет существенно повысить прочность легкого бетона и понизить его теплопроводность.

Положительный эффект достигается за счет того, что:

1) активное взаимодействие микросферы (в силу минерально-фазового состава и дисперсности) с цементным вяжущим обеспечивает высокое качество контактной зоны "матрица - наполнитель", прочность и трещиностойкость.

2) малые размеры, оптимальная сферическая форма, дискретный характер пористости микросфер позволяют получить плотную мелкозернистую, однородную структуру материала и тем самым повысить его физико-механические характеристики.

3) обладая гладкой, блестящей внутренней и наружной поверхностью, сферической формой полых гранул с преобладанием в составе стеклофазы, микросфера позволяет снизить теплопроводность и плотность легкого конструкционно-теплоизоляционного бетона.

Разработанный материал относится к производству строительных материалов и изделий, в частности к конструкционно-теплоизоляционным легким бетонам для ограждающих конструкций. Технический результат - понижение плотности и теплопроводности легких бетонов для ограждающих конструкций.

Кроме того, существует ячеистый бетон с наполнителем из алюмосиликатной микросферы (патент CELLULAR CONCRETE WO/2006/12141920061116).

В основу данной разработки поставлена задача введения в сырьевую смесь для изготовления ячеистых бетонных материалов нового наполнителя - микросфер, обеспечить технический результат в виде дополнительной поризации изделия за счет микропоризации тела матрицы (перегородок между воздушными порами) и получить в итоге новые потребительские свойства материала, связанные с техническим результатом: теплотехнические параметры теплоизоляционных ячеистобетонных изделий, близкие к соответствующим показателям минеральных ват и вспученных полимеров и значительно улучшенные теплотехнические и физико-механические характеристики конструкционных и теплоизоляционно-конструкционных ячеистобетонных изделий.

При этом теплоизоляционные ячеистые бетоны, приготовленные с использованием микросфер, могут быть применены для производства теплоизоляционных плит, имеющих намного большую прочность в сравнении с другими плитными утеплительными материалами (плиты из минеральных волокон, плиты из пенопластов или полиуретанов).

Использование микросфер в производстве теплоизоляционно- конструкционных и конструкционных ячеистобетонных изделий, дает возможность повышения их прочности при сохранении плотности, и, соответственно, получения прочных изделий с пониженной плотностью, что в конечном итоге приводит к улучшению теплотехнических свойств.

В результате проведенных исследований на стандартных образцах было установлено, что применением в производстве ячеистых бетонов вместо песка в качестве наполнителя стекловидных пустотелых сферических частичек, известных под названием микросфера (ценосфера) достигаются уникальные характеристики термического сопротивления ячеистого бетона, сравнимые с характеристиками органических материалов, например, коэффициенту теплопроводности, а также установлен эффект повышения прочности ячеистого бетона, при сохранении его плотности и, соответственно, теплотехнических характеристик.

Изделия из ячеистого бетона, состав которого отвечает данному изобретению, могут изготавливаться как с применением тепловлажностной обработки (пропаривание, автоклавирование), так и без нее.

Технический результат и потребительские свойства при использовании изобретения достигаются, за счет малого размера, пустотелости и сферичности микросфер, которые сами по себе являются хорошим теплоизоляционным материалом, а также их расположения в смеси: в зависимости от вида ячеистого бетона, а соответственно и от толщины стенки между воздушными порами, микросферические частички либо находятся внутри плотной матрицы стенки воздушных пор бетона, либо частично выходят в сами воздушные поры, значительно увеличивая таким образом площадь внутренней поверхности воздушной поры, которая в свою очередь более эффективно задерживает тепловой поток.

При этом, в отличие от большинства традиционных изоляционных материалов он обеспечивает:

- возможность обустройства «дышaщиx» однослойных стен (хорошая паропроницаемость);

- уменьшение стоимости строительства за счет уменьшения толщины стены до необходимой конструкционно-несущей толщины и уменьшения нагрузки на фундамент;

- уменьшение стоимости строительства за счет отсутствия сложных технологических операций по обустройству дополнительной теплоизоляции, а также сокращения сроков строительства;

- универсальность - возможность применения как для внутренних, так и для внешних работ, устройства теплозвукоизоляции полов и перекрытий;

- технологичность - высокая прочность в сравнении c существующими теплоизоляционными материалами (волоконные, вспученные пластики).

Также на основе цементов с алюмосиликатными микросферами в качестве облегчающей добавки был разработан облегченный тампонажный состав с низкой фильтрацией плотностью. В отличие от известных облегченных тампонажных составов с использованием глинопорошка как облегчающей добавки, предлагаемые облегченные тампонажные составы имеют улучшенные характеристики:

- регулируемую плотность тампонажных составов от 1470 до 1650кг/м3;

- высокую седиментационную устойчивость (водоотделение - 0);

- низкую фильтрацию (12-30 см3/30 мин);

- растекаемость не ниже 200мм при В/Ц=0,44 и 0,5 для разных типов цемента;

- сроки схватывания - не более 12-14ч;

- прочность цементного камня, увеличивающуюся при хранении с течением времени;

- низкую проницаемость цементного камня;

- улучшенные адгезионные характеристики.

Использование облегченного цемента позволяет:

- уменьшить временные и материальные затраты при креплении глубоких скважин, за счет использования одноступенчатого способа цементирования взамен двухступенчатого;

- обеспечить подъем цементного раствора до устья в условиях низких давлений гидроразрыва пластов;

- снизить вероятность недоподъема цементного раствора за счет снижения гидростатической составляющей облегченных цементов (наличия в составе разноразмерных микросфер);

- улучшить качество сцепления цементного камня с колонной и породой за счет безусадочности цементного камня и его адгезионных свойств;

- снизить временные и материальные затраты при проведении изоляции зон поглощения в стволе скважины;

- обеспечить подъем цемента за колонной при цементировании в одну ступень для скважин глубиной до 4000 м.

В настоящее время подобные облегченные тампонажные составы с алюмосиликатными микросферами широко используются на газовых и нефтяных месторождениях Западной Сибири и Крайнего Севера. С применением этих составов зацементировано уже более 300 скважин.

Оценка качества цементирования колонн показала преимущества использования облегченных цементов с микросферами. Их использование позволило обеспечить подъем цемента за колонной до устья и повысить качество цементирования.

При использовании предлагаемых технологий оказывается минимальное загрязняющее воздействие на продуктивный пласт, и время работ по освоению скважин снижается.

Технологии цементирования с подготовкой ствола скважины широко используются в Западной Сибири, испытаны на месторождениях республики Коми, Казахстана. На технологии и составы имеются патенты РФ.

Микросфера используется для создания теплоизоляционной радиопрозрачной керамики. Такая керамика обладает повышенной прочностью, малой объемной массой, низким коэффициентом теплопроводности и высокой радиопрозрачностью.

Кроме того, микросферы используют для производства жидкой теплоизоляции, звукоизоляции и антикоррозионной защиты тепловых и инженерных сетей, технологических трубопроводов, тепломеханического и емкостного оборудования, для теплоизоляции и защиты строительных конструкций, фасадов жилых и производственных зданий. Данные материалы успешно применяются на объектах промышленного и гражданского назначения.

Полимерная композиция с полыми силикатными микросферами, заполненными разреженным воздухом, является легким, гибким, растяжимым материалом и обеспечивает хорошую адгезию к покрываемым поверхностям различных геометрических форм. Отличительными свойствами этого покрытия являются:

- возможность использования в широком диапазоне температур покрываемых поверхностей (до +500С);

- высокая стойкость под воздействием ультрафиолетовых лучей;

- предотвращение конденсата на холодных металлических поверхностях (трубопроводы, кровли, ангары, технологическое оборудование).

Технико-экономическое сравнение показывает, что теплоизоляция на основе микросфер соответствует 40-60 мм минеральной ваты или 40 мм пенополистирола и позволяет обеспечивать теплоизоляцию объектов с рабочими температурами до 500?С, при этом сметная стоимость изоляции одного м2 поверхности ниже на 20-30%. Материал не требует дополнительной защиты снаружи, срок службы составляет не менее 10 лет.

На основе микросфер производят также термопластичный состав для разметки дорог. Он применяется для разметки автомобильных дорог и аэродромов с асфальтовым или асфальтобетонным покрытием. Использование термопластичного состава для разметки дорог позволяет повысить морозостойкость, трещиностойкость и солестойкость покрытий за счет введения в композицию состава полиэфирной смолы на основе диметил- или полиэтилентерефтолата, этиленгликоля и фталиевого ангидрида, полиэфирной смолы на основе адипиновой смолы и этиленгликоля, двуокиси титана, трансформаторного масла, кварцевого песка, а главное алюмосиликатных полых микросфер.

Таким образом, необходимо отметить, что совокупность физических свойств полых микросфер позволяет применять их в различных областях, начиная от использования в качестве наполнителя для приготовления однородной и стабильной бетонной смеси, которая при твердении образует композит с высокими эксплуатационными характеристиками, и заканчивая термопластичными материалами для разметки дорожного полотна.

Анализ способов переработки золы ТЭС позволяет сделать вывод о том, что получение полых микросфер является наиболее эффективным способом переработки данного вида техногенного сырья.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Делицын Л. М., Власов А. С. Необходимость новых подходов к использованию золы угольных ТЭС // Теплоэнергетика. - 2010. - № 4.

2. Рябов Ю. В., Делицын Л. М., Власов А. С., Голубев Ю. Н. Получение магнитных продуктов из золы уноса Каширской ГРЭС // Обогащение руд. - 2013. - № 6.

3. Рябов Ю. В., Делицын Л. М., Власов А. С., Бородина Т. И. Флотация углерода из золы уноса Каширской ГРЭС // Обогащение руд. - 2013. - № 4.

4. Классификация отходов ТЭС. - Глобальная сеть рефератов "Олбест" [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://otherreferats.allbest.ru/manufacture/00093796_0.html

5. Использование золошлаковых отходов в Новосибирской области. - Газета «Континент Сибирь», вып. 19, 2008 [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.ksonline.ru/ks/-/jid/382/cat_id/6/id/19105/

6. Анализ технологий и методов утилизации твёрдых продуктов десульфуризации и частиц золы. - Украинский финансово-промышленный концерн "УФПК" [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.ufpk.com.ua/files/p3/analiz.html

7. Галич С.А. Перспективы использования золошлаков ТЭС в качестве микроудобрения для почв. - Институт проблем машиностроения Национальной академии наук Украины, Харьков, Украина [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://waste.ua/cooperation/2007/theses/galich.html

8. ДТЭК Запорожская ТЭС: на пути к экологичности европейского образца. - Городской портал. Запорожье. [Электронный ресурс] - Режим доступа:http://www.misto.zp.ua/article/partners12527.html

9. Силикатный кирпич, керамические и плавленые материалы на основе зол и шлаков ТЭС. - Сайт «Строительные товары» [Электронный ресурс] - Режим доступа:http://www.vserinki.ru/stroika/?Obshaya__harakteristika_othodov:Silikatnyi__kirpich%2C_keramicheskie_i_plavlenye_materialy_na_osnove_zol_i_shlakov_TES

10. Асланян Г.С. Экологически Чистые Угольные Технологии. Аналитический обзор. - Центр энергетической политики, Москва [Электронный ресурс] - Режим доступа:http://www.unece.org/fileadmin/DAM/ie/capact/ppp/pdfs/aslanjan_rf.pdf

11.

12. /1/ Зырянов В.В., Зырянов Д.В. Зола уноса - техногенное сырьё. М., ООО «ИПЦ «Маска», 2009.

13. /2/ Котляр В.Д., Шуйский А.И., Козлов А.В., Мальцев Е.В. Лёгкий бетон. Патент RU(11)2154619 (13)C1.

14. /3/ Barbare N., Shukla A., Bose F. Cement and Concrete Research 33 (2003) 1681 - 1686.

15. /4/ Калашников В.И. Основы пластифицирования минеральных дисперсных систем для производства строительных материалов. Диссертация на соискание степени д.т.н.. Воронеж, 1966.

16. /5/ Хархардин А. Н. Расчет гранулометрического состава наполнителя высокоплотной упаковки.//Пласт. массы, - 1979, N10. - с. 22-23.

17. /6/ Королёв Л.В., Лупанов А.П., Придатко Ю.М. Плотная упаковка полидисперсных частиц в композитных строительных материалах. Современные проблемы науки и образования, №6 (2007)

18. /7/ Миронов В.А., Белов В.В., Голубев А.И., Смирнов М.А. Оптимизирование композиций для изготовления строительных смесей. СПб, ООО «РИА «Квинтет», 2008

19. /8/ Несветаев Г.В. Бетоны: учебно-справочное пособие. Ростов н/Д. «Феникс», 2010.

20. Панова В.Ф. Техногенные продукты как сырье для стойиндустрии: Монография/ СибГИУ. - Новокузнецк, 2009. - 289с.

21. Анализ техногенных продуктов как сырья для производства строительных материалов: метод. указ. / Сост.: Панова В.Ф., Карпачева А.А., Панов С.А., СибГИУ. - Новокузнецк, 2008. - 46 с.

22. Баженов П.И. Комплексное использование минерального сырья и экология: Учеб. пособие/ П.И. Боженов - М.: Изд. АСВ, 1994. - 29 с.

Размещено на Allbest.ru