Достижения, проблемы и перспективные направления развития исследований и производства шлакощелочных вяжущих и бетонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Достижения, проблемы и перспективные направления развития исследований и производства шлакощелочных вяжущих и бетонов

В последнее десятилетие мировое сообщество пересмотрело стратегию дальнейшего развития земной цивилизации, выдвинув взамен доминировавшего направления безграничного «научно-технического прогресса» стратегию «устойчивого развития», основные критерии которой - ограничение потребления природных ресурсов, энергосбережение, защита окружающей среды [1]. Эти же критерии являются базовыми и в стратегии развития строительного комплекса России на период до 2010 г. [2]. В «Стратегии развития строительного комплекса Российской Федерации до 2010 г. [3] ставятся задачи рационального использования природных ресурсов и вовлечения в производство техногенных отходов различных отраслей промышленности, замещения на 20-30% природного сырья производственными и бытовыми отходами в производстве строительных материалов.

Среди строительных материалов в развитии строительного комплекса России занимают и сохранят в обозримом будущем доминирующее положение бетон и железобетон. В связи с этим решение проблем охраны окружающей среды, ресурсо- и энергосбережение в производстве этих материалов и их компонентов является наиболее актуальным.

В наибольших объемах бетон и изделия из него производятся на основе минеральных вяжущих веществ, из которых основными являются клинкерные цементы, от наращивания объемов производства которых зависит и национальная безопасность и экономическая независимость страны.

Однако производство цемента характеризуется высоким потреблением природного сырья, энергоресурсов и значительными объемами выбросов, загрязняющих окружающую среду.

В связи с этим очевидна необходимость расширения разработок и производства бесклинкерных вяжущих - известковых, гипсовых, магнезиальных, шлакощелочных. Последние представляют наибольший интерес в связи с минимальным потреблением природного сырья, высоким использованием отходов промышленности - металлургических шлаков и золошлаков ТЭС, отсутствием в производстве энергозатратных процессов обжига, экономической эффективностью и физико-техническими свойствами, не уступающим или превышающим показатели портландцемента.

Металлургические шлаки и золошлаковые смеси ТЭС представляют собой наиболее многотоннажные отходы промышленности. Только на металлургических комбинатах Урала и Сибири скопилось в отвалах 450 млн. т металлургических шлаков, а в отвалах ТЭС страны накоплено без малого 1,5 миллиарда тонн золошлаков, занимающих обширные территории и загрязняющих окружающую среду.

На сегодня нельзя сказать, что металлургические шлаки и золошлаки ТЭС не используются в производстве строительных материалов. Они используются в качестве добавок при производстве цемента, заполнителей для бетонов, насыпки дорог, в производстве кирпича и т.д. Однако, если объемы их утилизации в нашей стране не превышают 10-15%, то в других технически развитых странах этот показатель достигает 60-80%. Вместе с тем, они представляют собой ценное сырье для производства гидравлических шлакощелочных вяжущих (ШЩВ). Еще в 1862 году было установлено, что при быстром охлаждении доменного шлака водой образуется гранулят, который будучи размолот с 20% извести, дает весьма прочный раствор, одинаково твердеющий в воде и на воздухе. К настоящему времени целесообразность и технико-экономическая эффективность производства ШЩВ показана широкими отечественными и зарубежными исследованиями. По известным данным [4] сравнение затрат на производство ШЩВ марок 600-1200 и портландцемента марки 600 показывает, что у ШЩВ ниже: себестоимость в 1,7-1,9 раза, электроэнергии в 2 раза, приведенные затраты в 2-2,5 раза.

ШЩВ - гидравлические вяжущие вещества, в который алюмосиликатный компонент представлен гранулированным шлаком, а щелочной - соединениями щелочных металлов, дающих щелочную реакцию [5]. ШЩВ получают путем совместного помола шлака с соединениями щелочных металлов или затворением молотого шлака растворами этих соединений.

В период 60-90-х годов прошлого столетия в нашей стране проведены широкие исследования, характеризующиеся большими достижениями в разработке ШЩВ, бетонов, бетонных и железобетонных изделий и конструкций.

Наибольшая роль в разработке ШЩВ принадлежит Глуховскому В.Д. и его Киевской школе, в которой по этой тематике было подготовлено более 50-ти кандидатов и докторов наук. Трудами этой школы получен широкий круг ШЩВ. Показано, что в зависимости от вещественного состава алюмосиликатного компонента ШЩВ подразделяются на щелочные - на основе бескальциевых алюмосиликатных стекол (гранулированные шлаки ТЭС, никелевого производства и др.) и щелочно - щелочно-земельные - на основе кальциевых стекол (доменные гранулированные шлаки, электротермофосфорные и т.п.). ШЩВ на кальциевых стеклах делятся в свою очередь на бездобавочные и с добавками до 40% эффузивной (стеклоподобной) горной породы или стекол искусственного происхождения, а также глинистых минералов в естественном и дегидратированном состоянии до 25%. Установлена возможность получения ШЩВ на основе: доменных, в том числе отвальных гранулированных шлаков, ваграночных шлаков, шлаков цветной металлургии; зол, шлаков и золошлаков ТЭС; отходов горнорудной промышленности. Значительные исследования по разработке ШЩВ велись и в России научными коллективами в Москве, Санкт-Петербурге, Пензе, Перми, Саратове, Белгороде, Иванове, Новосибирске, Одессе, Томске, Челябинске. В МИСИ им. Куйбышева было изучено более 60-ти видов шлаков и зол с целью использования их в производстве вяжущих и бетонов. Выявлена возможность получения ШЩВ на основе мартеновских, никелевых, медеплавильных, электротермофосфорных, ферросплавных шлаков.

В нормальных условиях ни гранулированные, ни медленно-охлажденные, ни закристаллизованные шлаки не проявляют ранней гидравлической активности. Для повышения их гидравлической активности применены различные методы активации: химическая, механическая, гидротермальная, механохимическая, механогидрохимическая; активация воды затворения - электроимпульсная, магнитная, электрохимическое обогащения ионами и т.д.

В большинстве известных работ по разработке ШЩВ применялась химическая активация: щелочная, сульфатная, комбинированная. Показана возможность щелочной активации шлаков едкими щелочами ROH и солями: силикатными - типа R₂O (0,5-4,0) SiO₂; несиликатными - типа R₂CO₃, R₂SO₄, R₂S, RF. Наибольшее число разработок ШЩВ произведено с использованием в качестве щелочных активаторов: растворимого силиката натрия, каустической и кальцинированной соды, поташа. Вместе с тем значительное число разновидностей ШЩВ разработано с использованием в качестве активаторов щелочесодержащих отходов различных производств: содовый и содощелочной плавы, стеклобой, цементная пыль, известесодержащие отходы, сульфатосодержащие отходы - фосфогипс, гипсовая мелочь. Результатами исследований в период с 60-90-х годов были разработка нормально-, быстро-, особобыстротвердеющих, рядовых и высокопрочных до 140 МПа ШЩВ. Одновременно с разработкой ШЩВ проводилась и разработка составов и технологий производства составов и технологий производства шлакощелочных бетонов (ШЩБ) и бетонных и железобетонных изделий из них. Разработаны составы ШЩВ: тяжелых - классов В10-В110, мелкозернистых - классов В7,5-В50, легкие конструкционные бетоны с различными пористыми заполнителями классов до В30, ячеистые бетоны со средней плотностью Д150-350 и классов по прочности до В2. разработаны кислотостойкие, радиационностойкие и жаростойкие ШЩБ. Установлена возможность использования для производства ШЩБ мелких заполнителей с низким модулем крупности и заполнителей с повышенным содержанием пылевидных и глинистых примесей, грунтов в виде супесей и легких супесей. Установлено, что ШЩБ могут иметь до F1000, водонепроницаемость до W30; имеют выше, чем у бетонов на портландцементе коэффициент призменной прочности, коррозионную и биологическую стойкость; в пределах, допускаемых для бетонов на портландцементе - модуль упругости, деформации усадки и ползучести.

В 80-90-е годы были разработаны нормативные требования к сырьевым компонентам, составам и свойствам ШЩВ, ШЩБ, бетонных и железобетонных изделий и конструкций из них, технологии их производства и применения. Высокие показатели физико-технических свойств ШЩБ, подтвержденные данными многолетней эксплуатации конструкций из них в различных условиях позволили их рекомендовать для изготовления бетонных и железобетонных конструкций с обычной и предварительно напряженной арматурой для дорожного строительства (плиты покрытия дорог и тротуаров, бордюрные камни, трубы), промышленного строительства (сборные и монолитные фундаменты, плиты покрытий и перекрытий, сваи, ограждающие конструкции, колонны, особенно в условиях действия агрессивных растворов сульфатов и хлоридов), коммунального строительства (конструкции очистных сооружений, подземных инженерных сетей), сельскохозяйственного строительства (фундаменты, полы, несущие конструкции покрытий и перекрытий), гидромелиоративного строительства (лотки, трубы, облицовки каналов и т.п.). жилищного строительства (фундаменты, стены подвалов). В номенклатуре изделий из ШЩБ имеются и тюбинги для тоннелей метрополитенов [7]. Осваивалось производство ШЩВ и ШЩБ на Украине в городах Липецке, Перми, Туле, Омске. Однако с началом перестройки экономических отношений в стране они прекратили свое существование, что было связано также в определенной мере с отсутствием дефицита цемента, дефицитом щелочных затворителей, повышенным высолообразованием ШЩБ. Резко снизились и объемы исследований по разработке ШЩВ и ШЩБ.

Однако все повышающиеся требования по ресурсо-, энергосбережению и защите окружающей среды, в том числе в производстве вяжущих веществ и бетонов делают необходимым наращивание исследований по разработке ШЩВ и ШЩБ и развития их производства.

В последнее десятилетие в отечественной и мировой строительной науке и практике получили развитие разработки композиционных вяжущих веществ. Очевидно, что дальнейшее развитие ШЩВ также будет идти в направлении разработок композиционных шлакощелочных вяжущих (КШЩВ), которое уже наблюдается в последнее время. Разработаны модифицированные ШЩВ и ШЩБ с добавками продуктов биосинтеза, с полиминеральными добавками, с наполнением лигнином деревообработки. В Пензенском ГУАС разработаны составы и технология производства высоконаполненных минеральношлаковых вяжущих и бетонных изделий на их основе. Интенсивные разработки КШЩВ в течении последних лет проводятся в Казанском ГАСУ. Результаты этих исследований позволили разработать целый класс КШЩВ с добавками молотых боя керамического кирпича, кварцевого песка, отработанной формовочной смеси, золы-уноса, микрокремнезема. Разработаны нормально-, быстро- и особобыстротвердеющие КШЩВ марок до 1200 и бетоны на их основе классов до В80, марок по морозостойкости до F800 и по водонепроницаемости до W25.

Одной из проблем развития разработок и производства ШЩВ, бетонов, бетонных и железобетонных изделий и конструкций на их основе является отсутствие отраслевой или государственной программы по утилизации отходов промышленности. Даже в небольших Нидерландах разработана государственная программа по освоению различных отходов.

В рамках таких программ следовало бы предусмотреть развитие исследований и производства бесклинкерных вяжущих на основе отходов промышленности с целью снижения цементоемкости и повышения экономической эффективности строительства. Это необходимо и в связи с неизбежной проблемой дефицита цемента, которая возникнет в стране в связи с ожидаемым ростом объемов строительства. Проблемой является и определение оптимальных форм организации производства ШЩВ и материалов.

Специфическими для развития разработок и производства ШЩВ и материалов и изделий являются их повышенное высолообразование и дефицит щелочных затворителей. Эти проблемы и определяют направления развития разработок и производства ШЩВ и строительных материалов и изделий.

В перечне этих направлений:

систематизация данных о запасах в отвалах и образующихся объемов металлургических шлаков и золошлаков ТЭС с описанием их вещественных составов и соответствия требованиям к сырью для производства ШЩВ;

систематизация данных об объемах производства щелочных затворителей и отходах промышленности, пригодных для использования в качестве щелочных затворителей;

определение оптимальных форм организации производства ШЩВ и материалов и изделий;

разработка композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками местного сырья и отходов промышленности, в том числе отходов строительной отрасли;

расширение номенклатуры ШЩВ и строительных материалов;

разработка экономически эффективных производств щелочных затворителей.

Список литературы

шлак мартеновский бесклинкерный вяжущий

1. Ильичев В.А. Строительный комплекс в век информационных технологий и один день без них. Ж. Архитектура и строительство Москвы, №2-3, 2002, с. 46-50.

2. Баринова Л.С., Волков Ю.С. Строительство - определяющий фактор устойчивого развития. Информационный бюллетень, №5, 2002, с. 2-4.

3. Стратегия развития строительного комплекса Российской Федерации на период до 2010 года», М., Госстрой РФ, 2003 г.

4. Дворкин Л.И., Пашков И.А. Строительные материалы из отходов промыш - лености. Уч.пособие. - К. Вища школа., 1989. - 208 с.

5. Глуховский В.Д. Шлакощелочные цементы и бетоны. - К., Будiвельник, 1978.

6. Рекомендации по изготовлению шлакощелочных бетонов и изделий на их основе. - М.: НИИЖБ Госстроя СССР, 1986, с. 55.

7. Кунцевич О.В., Комохов П.Г., Петрова Т.М. Исследование составов и технологических особенностей высокопрочного шлакощелочного бетона для конструкций метрополитена. ЛИИЖТ, Отчет о НИР, 1988 г.

8. Рахимов Р.З., Хабибуллина Н.Р., Рахимов М.М., Соколов А.А., Гатауллин Р.Ф. Бетоны на основе композиционных шлакощелочных вяжущих // Строительные материалы. - 2005. - №8. - с. 16-17.

Размещено на Allbest.ru