Состав и гидравлическая активность керамзитовой пыли

РЕФЕРАТ. Керамзитовая пыль, обладающая гидравлической активностью, является многотоннажным отходом промышленности строительных материалов. Показано, что керамзитовая пыль различных предприятий при разных способах отбора и тонкости помола варьируется по составам и гидравлической активности, что необходимо учитывать при ее использовании в качестве минеральной добавки. Приведены результаты исследований влия­ния добавки керамзитовой пыли на свойства композиционных гипсовых вяжущих.

Ключевые слова: минеральная добавка, керамзитовая пыль, гид­равлическая активность, композиционные гипсовые вяжущие.

Keywords: mineral additive, claydite dust, hydraulic activity, composite gypsum binders.

Введение

Один из путей обеспечения «устойчивого развития» строительной индустрии в части ресурсо-, энергосбережения и экологии — расширение исследований, разработок и производства строительных материалов на основе отходов и с применением последних [1]. По прогнозу экспертов ООН во главе с В.В. Леонтьевым, уже в первой половине XXI века до 55 % потребностей в природном сырье будут восполняться промышленными отходами [2].

Одной из многотоннажных разновидностей отходов промышленности строительных материалов является керамзитовая пыль. В СССР в 1984 году действовало 317 предприятий по производству керамзитового гравия, который составлял 86 % общего объема применявшихся легких заполнителей [3]. На каждом заводе ежесуточно образуется 7—8 т керамзитовой пыли [4], или до 10 % массы используемого сырья [5]. В начале 1990-х годов объемы производ­ства керамзита в России снизились. Однако, как показывают мировая практика и нарастающая производственная деятельность в нашей стране, выпуск керамзита и его использование в строительной индустрии, а также утилизация и рациональное применение отхода его производства — керамзитовой пыли — актуальны.

В настоящее время известен ряд работ по исследованию эффективности применения керамзитовой пыли в качестве минеральной добавки в цементных и гипсовых композиционных материалах. Но практически во всех известных работах проводились исследования эффективности единичных проб керамзитовой пыли отдельных предприятий, что не позволяет определить особенности влияния ее химического, минерального и фазового составов на свойства вяжущих. Недостаточны также сведения о влиянии на свойства вяжущих дис­персности керамзитовой пыли различных составов. При производстве керамзитового гравия керамзитовая пыль осаждается в системах пылеочистки: пылеосадительных камерах, циклонах, фильтрах. В каждой из известных работ проводились исследования эффективности добавок этой пыли в составе минеральных вяжущих только для одного из указанных способов очистки.

В некоторых работах не указаны производитель, способ отбора и состав керамзитовой пыли. В итоге может сложиться представление о том, что керамзитовая пыль — это постоянный по химическому, минеральному, фазовому составу и дисперсности продукт с определенной гидравлической активностью независимо от состава исходного глинистого сырья, технологических режимов производ­ства керамзита и способа отбора.

В настоящей работе приведены результаты исследований гидравлической активности проб керамзитовой пыли различных предприя­тий при разных способах отбора в зависимости от ее химического, фазового составов и удельной поверхности, а также влияния добавок проб керамзитовой пыли на прочность и водо­стойкость гипсокерамзитовых и гипсоизвестковокерамзитовых композиционных вяжущих.

Основная часть

Объектами исследований были пробы керамзитовой пыли следующих предприятий:

1) Нижнекамского ООО «Камэнергостройпром» с циклонов пылеочистки (КП-1) и с фильтров пылеочистки (КП-2);

2) Казанского завода керамзитового гравия ООО «Строительное управление — 4» ОАО «Татстрой» с циклонов пылеочистки (КП-3);

3) ООО «Уфимская гипсовая компания» с циклонов пылеочистки (КП-4).

В табл. 1 приведен гранулометрический состав исходных проб керамзитовой пыли, а в табл. 2 — результаты анализа их химического состава. Исходные пробы керамзитовой пыли различных производств при разных способах отбора имеют неодинаковый гранулометрический состав (см. табл. 1). В зависимости от него эти пробы будут по-разному влиять на свойства композиционных вяжущих. Указанные пробы различаются по химическому составу (см. табл. 2); в соответствии с этим они должны по-разному влиять на структурообразование и свойства композицион­ных вяжущих.

В табл. 3 приведены результаты рентгенофазового анализа керамзитовой пыли, выполненного совместно с сотрудниками аналитической лаборатории Центрального научно-исследовательского института геологии нерудного сырья (г. Казань) и кафедры минералогии и литологии Казанского (Приволжского) федерального университета.

Рентгенографический анализ проводился на дифрактометре D8 ADVANCE фирмы Bruker Axs. Полученные рентгенограммы обрабатывались с помощью программы EVA, входящей в комплект программного обеспечения дифрактометра. Фазовый состав определяли с использованием международной базы рентгенографических данных PDF-2 на основании соотношения интенсивности пиков диагностических рефлексов минеральных фаз и фона (гало), характеризующего содержание рентгено­аморфной фазы [6].

По данным табл. 3, проба КП-1 отличается от остальных исследованных проб керамзитовой пыли повышенным суммарным содержанием двух составляющих:

1) недегидратированных глинистых минералов с неразрушенной кристаллической структурой (реликтовой недегидратированной глины) и дегидратированных глинистых минералов с кристаллической структурой различной степени дефектности;

2) рентгеноаморфной фазы, включаю­щей продукты термической обработки глинистых минералов, характеризующиеся полным отсутствием кристалличности.

В связи с этим целесообразно было определить содержание недегидратированной глины в пробах. Анализ методом набухания, выполненный по ГОСТ 8735—88, показал, что содержание недегидратированной глины составляет в пробах КП-1, КП-2, КП-3, КП-4 соответственно 9,5; 11,3; 12,5 и 14,1 %.

В работах [4, 7] керамзитовая пыль оценивается как гидравлически активная минеральная добавка, что подтверждается результатами исследований ее влияния на свойства портланд­цементных и гипсоизвестковых вяжущих [8—10]. В частности, в работе [8] отмечается, что керамзитовая пыль имеет более высокую гидравлическую активность по сравнению с молотым керамзитом, туфом, опокой и перлитом.

Исследования по стандартной методике ТУ 21-31-62—89 позволили установить, что в исходном состоянии пробы КП-1, КП-2, КП-3 и КП-4 имеют гидравлическую активность по поглощению СаО соответственно 130, 121, 118 и 115 мг/г.

Самую высокую гидравлическую активность пробы КП-1 по сравнению с другими пробами керамзитовой пыли авторы связывают с повышенным суммарным содержанием дегидратированных глинистых минералов и рентгеноаморфной фазы и пониженным содержанием недегидратированной глины.

Повышенное содержание недегидратированной глины, возможно, приводит к экранированию ее частицами активных зарядовых центров частиц дегидратированных глинистых минералов с нарушенной кристаллической решеткой и снижению гидравлической активности керамзитовой пыли.

В табл. 4 приведены данные о влиянии удельной поверхности проб керамзитовой пыли на их гидравлическую активность, определявшуюся по поглощению СаО. Керамзитовую пыль измельчали в лабораторной планетарной мельнице МПЛ-1. Ее удельную поверхность определяли на приборе ПСХ-9 методом Козени—Кармана по воздухопроницаемости и пористости уплотненного слоя порошка при атмосферном давлении. При помоле периодически отбирали пробы измельчаемого материала для контроля достигнутой удельной поверх­ности.

Гидравлическая активность керамзитовой пыли повышается по сравнению с исходными немолотыми пробами при помоле до удельной поверхности 250 м²/кг — в 1,8—2,6 раза; до 500 м²/кг — в 3,2—3,3 раза; до 800 м²/кг — в 3,3—3,7 раза в зависимости от состава (см. табл. 4). Таким образом, дальнейший помол керамзитовой пыли после достижения удельной поверхности 500 м²/кг не приводит к существенному росту ее гид­равлической активности.

Исследованные разновидности керамзитовой пыли, молотые до удельной поверх­ности 500 м²/кг, использовались в качестве гид­равлических добавок для получения гипсокерамзитовых и гипсоизвестковокерамзитовых вяжущих на основе строительного гипса марки Г-6БII. При получении гипсоизвестковокерамзитовых вяжущих добавлялось 5 % извести. На рис. 1 приведены данные о влиянии добавок керамзитовой пыли на прочность камня модифицированного гипса (композиционного гипсового вяжущего КГВ-1) в сухом состоянии. В этом случае керамзитовая пыль выполняет роль инерт­ной минеральной добавки, не вступающей в химической взаимодействие с гипсом. Проч­ность камня вяжущего при введении добавок керамзитовой пыли снижается с увеличением их содержания по закономерностям, описанным в работе [11] и характерным для вяжущих с инертными минеральными добавками. Коэффициент размягчения КГВ-1 снизился по сравнению с исходным гипсовым вяжущим Г-6БII с 0,35 до 0,30—0,23 в зависимости от вида и содержания добавок керамзитовой пыли и содержания в них недегидратированной глины.

Рис. 1. Влияние вида и содержания добавок молотой керамзитовой пыли при удельной поверхности 500 м²/кг на предел прочности при сжатии искусственного камня на основе КГВ-1. 1 — КП-1, 2 — КП-2, 3 — КП-3, 4 — КП-4

На рис. 2 приведены результаты исследований получения гипсоизвестковокерамзитового вяжущего (композиционного гипсового вяжущего КГВ-2). Выявлено, что добавки керамзитовой пыли в комплексе с известью обеспечивают в зависимости от состава проч­ность КГВ-2 на уровне прочности исходного гипсового вяжущего или ее повышение.

Рис. 2. Влияние вида и содержания добавок молотой керамзитовой пыли при удельной поверхности 500 м²/кг на предел прочности при сжатии искусственного камня на основе КГВ-2. 1 — КП-1, 2 — КП-2, 3 — КП-3, 4 — КП-4

Повышается и коэффициент размягчения искусственного гипсового камня КГВ-2 — до 0,54—0,68 (рис. 3). Выявленные закономерности повышения прочности и водостойкости указывают на высокую гидравлическую активность керамзитовой пыли.

Рис. 3. Влияние вида и содержания добавки молотой керамзитовой пыли при удельной поверхности 500 м²/кг на коэффициент размягчения искусственного камня на основе КГВ-2. 1 — КП-1, 2 — КП-2, 3 — КП-3, 4 — КП-4

Выводы

1. Керамзитовая пыль различных пред­прия­тий при разных способах отбора не­одинакова по гранулометрическому, химическому и фазовому составам и гидравлической активности, что необходимо учитывать при ее применении в качестве активной минеральной добавки.

2. Керамзитовая пыль представляет собой термически активированную глину, в составе которой содержатся около 10—15 % недегидратированной глины, а также дегидратированные глинистые минералы с кристаллическими решетками различного уровня дефектности и рентгеноаморфная фаза, включающая продукты термической обработки глинистых минералов, характеризующиеся полным отсутствием кристалличности.

3. С повышением суммарного содержания дегидратированных глинистых минералов и рентгеноаморфной фазы и снижением содержания недегидратированной глины с 14,1 до 9,5 % гидравлическая активность исходных проб керамзитовой пыли возрастает с 115 до 130 мг/г, а проб, размолотых до достижения удельной поверхности 500 м²/кг, — с 377 до 462 мг/г.

4. Получены зависимости, характеризующие влияние количества вводимых добавок керамзитовой пыли различного химического и фазового состава, молотых до оптимальной (с точки зрения гидравлической активности) удельной поверхности 500 м²/кг на прочность и водостойкость гипсокерамзитовых и гипсоизвестковокерамзитовых композиционных вяжущих.

ЛИТЕРАТУРА

1. Будущее мировой экономики. Доклад группы экспертов ООН во главе с В. Леонтьевым: Сб. докладов / Под ред. В. Леонтьева. — М.: Международные отношения, 1979. 212 с.

2. Рахимов Р.З., Магдеев У.Х., Ярмаковский В.Н. Экология, научные достижения и инновации в производстве строительных материалов на основе и с применением техногенного сырья // Строительные материалы. 2009. № 12. С. 8—12.

3. Онацкий С.П. Производство керамзита. М.: Строй­издат, 1987. 333 с.

4. Горин В.М., Токарева С.А., Сухов В.Ю., Нехаев П.Ф. и др. Расширение областей применения керамзитового гравия // Строительные материалы. 2003. № 11. С. 19—21.

5. Сборник удельных показателей образования отходов производства и потребления. М.: Изд. Государственного комитета РФ по охране окружающей среды, 1999. 52 с.

6. Пущаровский Д.Ю. Рентгенография минералов. М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2000. 292 с.

7. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности. Ростов-на-Дону: Феникс, 2007. 368 с.

8. Усов Б.А., Попов Н.Л. Сухие строительные смеси на основе молотого портландцемента с кварцсодержащими микронаполнителями // Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века. 2003. № 7. С. 14—15.

9. Баженов Ю.М., Коровяков В.Д., Денисов Г.А. Технология сухих строительных смесей. М.: АСВ, 2003. 96 с.

10. Погорелов С.А. Экологические и технологические аспекты комплексного использования техногенного сырья // Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века. 2004. № 10. С. 10—11.

11. Дворкин Л.И., Соломатов В.И., Выровой В.Н., Чудновский С.М. Цементные бетоны с минеральными наполнителями. К.: Будивельник, 1996. 136 с.