Оптимизация состава неавтоклавного газобетона с добавлением осадка поверхностных сточных вод

РЕФЕРАТ. В условиях растущих требований к экологической устойчивости и дефицита высококачественного сырья становится перспективным использование техногенных отходов в производстве газобетона. В статье приведены результаты разработки и оптимизации состава неавтоклавного газобетона с добавлением сухого осадка сточных вод для частичной замены песка. Эксперименты показали, что замещение песка осадком в количестве 30—45 % улучшает прочностные характеристики газобетона без увеличения его плотности и с сохранением теплоизоляционных свойств. Содержание осадка сточных вод значительно влияет на прочность и плотность получаемого материала. Оптимальные составы газобетона с его добавлением могут стать основой для экологичных строительных материалов, способствующих утилизации отходов и снижению экологической нагрузки.

Ключевые слова: осадок сточных вод, ячеистый бетон, неавтоклавный газобетон, использование отходов, оптимизация состава, проч­ность при сжатии, плотность.

Keywords: sewage sludge, aerated concrete, non-autoclaved aerated concrete, waste utilization, recipe optimization, compressive strength, density.

Введение

Современное строительство требует инновационных решений для повышения эффективности и экологичности производства и применения строительных материалов, что особенно актуально в свете дефицита высококачественных традиционных сырьевых ресурсов и стремления к экологической устойчивости. Газобетон — легкий и пористый материал, имеющий значительный потенциал для удовлетворения этих требований, однако при оптимизации его состава необходимо учитывать множество факторов, в том числе энергоэффективность и возможность утилизации техногенных отходов. Ростом объемов таких отходов обусловлена необходимость разработки эффективных методов их переработки и применения, особенно в строительной отрасли. Одно из перспективных направлений — ​использование осадков сточных вод, содержащих кремнезем, в качестве альтернативного заполнителя для газобетона.

Чтобы разработать оптимальную рецептуру газобетона, обеспечивающую не только высокие механические и теплоизоляционные показатели, но и экономию ресурсов, проводятся его комплексные исследования при различных соотношениях вяжущих, заполнителей и порообразователей. В условиях ограниченных запасов высококачественного традиционного сыпучего заполнителя — ​кварцевого песка — ​использование альтернативных материалов, например осадка сточных вод, открывает новые возможности для разработки технологии производства, больше соответствующего принципам устойчивого развития.

Энергетическая эффективность газобетона характеризуется снижением тепловых потерь через ограждающие конструкции, которое является ключевым фактором для обеспечения экономии энергоресурсов в ходе эксплуатации зданий. Исследования теплофизических характеристик и микроструктуры газобетона, содержащего осадки сточных вод в качестве частичной замены заполнителя, позволяют выявить параметры, способствующие улучшению теплоизоляционных свойств. Такое применение осадков сточных вод поз­воляет не только утилизировать эти отходы, но и снизить зависимость производителей от традиционных источников сырья.

В настоящей статье описано исследование влияния химико-минералогического состава осадков сточных вод на технологические свойства газобетона на основе портландцемента, проведенное, чтобы оценить возможность их применения в строительной индустрии.

Обзор литературы

Согласно литературным данным, чаще всего в производстве строительных материалов используется зола осадка городских сточных вод, по составу близкая к золе осадка поверхностных сточных вод, широко применяемой в качестве компонента бетона. Использование золы осадка городских сточных вод способствует улучшению эксплуатационных характеристик бетона и позволяет решать экологические задачи, связанные с утилизацией техногенных отходов.

В работах [1—4] описаны составы сырьевых смесей для получения золощелочного бетона с улучшенными прочностными и эксплуа­тационными характеристиками (жаростойкостью, кислотостойкостью, коррозионной стойкостью). В работе [5] предложен способ приготовления золощелочной бетонной смеси, позволяющий увеличить скорость набора прочности бетоном при нормальном твердении. Метод, описанный в работе [6], обеспечивает получение золошлакового бетона с повышенной прочностью благодаря пропариванию изделий.

В работе [7] описан способ производства неавтоклавного зольного ячеистого бетона с добавлением активированного зольного наполнителя и хлористого кальция, что улучшает прочностные и теплоизоляционные свойства материала. Исследование [8] посвящено созданию теплоизоляционного бетона с улучшенной экологической безопасностью, в работе [9] рассмотрен состав пенобетона с базальтовой фиброй и добавками для снижения его усадки и улучшения звукоизоля­ционных свойств.

Технология легкого золобетона [10] предполагает использование золы сжигания осадков сточных вод в сочетании с портландцементом и песком. Способы получения автоклавного золопенобетона [11, 12] направлены на улучшение его теплоизоляционных свойств и утилизацию золы. Метод, описанный в работе [13], позволяет производить безобжиговый зольный гравий, в работе [14] описана технология гидроактивированного коррозионностойкого зольного вяжущего.

Также разработаны вяжущие составы с добавлением высококальциевой золы ТЭС [15] и быстроотверждающиеся цементирующие смеси на основе золы-уноса [16].

Анализ технической и патентной литературы подтверждает, что осадок сточных вод можно эффективно применять в производстве бетона в качестве мелкого и крупного заполнителя, а также вяжущего вещества [17, 18]. Эти сведения подчеркивают потен­циальные преимущества от переработки и применения таких отходов в строительстве.

Тем не менее тщательное исследование существующей документации также выявляет значительный дефицит разработанных составов и методик для получения ячеистых бетонов на основе осадков поверхностных сточных вод.

Таким образом, необходимо проводить дополнительные исследования для расширения областей применения осадков сточных вод и создания новых экологически-ориентированных строительных материалов. Исследования в этом направлении могут не только способствовать более эффективному использованию отходов, но и внести вклад в устойчивое развитие строительной индустрии.

Цель работы — ​разработка и оптимизация рецептуры неавтоклавного газобетона с добавкой сухого осадка поверхностных сточных вод.

Материалы и методы

В качестве вяжущего при разработке рецептуры смеси ячеистого газобетона применялся портландцемент ЦЕМ I 32,5Н ГОСТ 31108—2020 со следующими характеристиками: удельная поверхность — ​280—300 м²/кг; насыпная плотность — ​1100—1300 кг/м³; истинная плотность — ​2950—3100 кг/м³.

Чтобы обеспечить реакцию газовыделения при получении поризованных теплоизоля­цион­ных изделий, в смесь вводилась известь-пушонка, ГОСТ 9179—2018.

Алюминиевая пудра марки ПАП‑1, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 5494—2022, использовалась в качестве газообразователя.

Каустическую соду (NaOH) добавляют в ячеистый бетон для активации реакции между Ca(OH)₂ и алюминиевой пудрой. Эта реакция приводит к выделению водорода, который создает газовые пузыри в структуре бетона, делая его ячеистым. Каустическая сода также может использоваться для регулирования скорости образования пузырей и контроля плотности и прочности бетона.

Песок от АО «Левобережный песчаный карьер» (с. Марусино, Новосибирская область) применялся как мелкий заполнитель. Основные свойства песка определялись с учетом требований нормативно-технических документов: содержание пылевидных и глинистых час­тиц — ​1,2 %; насыпная плотность — ​1550 кг/м³; влажность — ​3,6 %; глина в комках отсут­ствует; удельная эффективная активность естественных радионуклидов в песке (Аэфф) — ​49,6 Бк/кг. Модуль крупности (Мк) составляет 1,83 (что соответствует мелкому песку).

В качестве кремнеземистого компонента, взамен части песка, применяли сухой осадок, образующийся на очистных сооружениях ливневой канализации в ходе очистки сточных вод. Основной вещественный состав данного вида отхода — ​песок, глина, органические и неорганические частицы, бактериальный материал и другие загрязнители, которые удаляются из сточной воды. Данный вид отхода отбирался из песколовок очистных сооружений, расположенных на территории Новосибирска. Физико-химические и физико-механические свойства использованного осадка поверхностных сточных вод приведены в работах [19, 20].

Для подбора оптимального состава сухой смеси использовался метод многофакторного планирования эксперимента, с помощью которого можно найти зависимость между соотношением компонентов сухой смеси, водотвердым отношением и конечными свойствами смеси. Расчет данных и построение зависимостей проводились в программах Mathcad и Excel.

Результаты исследования

Оптимизировалась рецептура неавтоклавного ячеистого бетона плотностью D 500. За базовый принят контрольный состав, полученный расчетным путем (табл. 1). Рецептура базового состава рассчитана на объем 0,004 м³, что обусловлено объемом рабочих форм, используемых в ходе изготовления изделий.

Для оптимизации состава получаемого газобетона на основе осадка поверхностных сточных вод (ОПСВ) был составлен план трехфакторного эксперимента на двух уровнях варьирования. В качестве факторов варьирования приняты: Х₁ — ​содержание осадка поверхностных сточных вод, %; Х₂ — ​водотвердое отношение, %; Х₃ — ​расход алюминиевой пудры, г. Эти факторы (показатели) удовлетворяют необходимым для активного эксперимента требованиям. Они управляемые, операционные, однозначные, независимые и могут измеряться с высокой точностью.

Для каждого фактора заданы условный нулевой уровень, интервал и единицы варьирования (табл. 2). Нулевой уровень выбран на основе нормативных требований (ГОСТ 25485—2019) и параметров контрольного образца газобетона, соответствующего стандарту. Этим обеспечиваются корректность варьирования и сопоставимость результатов с нормативными показателями.

По данной матрице был составлен план эксперимента с использованием результатов испытаний образцов ячеистого бетона, в состав которого входил осадок  поверх­ностных сточных вод (табл. 3).

В табл. 4 приведена матрица планирования полного факторного эксперимента 2ⁿ с кодированными значениями факторов и значениями откликов. В качестве откликов определялись средняя плотность (Y₁) и проч­ность при сжатии (Y₂).

В результате расчетов были получены следующие уравнения множественной регрессии:

Y₁ = 1426,5125 + 2,525X₁ – 959,375X₂ – 0,9281X₃,

Y₂ = 5,282 + 0,02X₁ — 6,25X₂ — 0,00225X₃.

На основании проведенного анализа установлена зависимость влияния исследуе­мых факторов на среднюю плотность (Y₁) и проч­ность при сжатии (Y₂) образцов газобетона.

При изменении дозировки осадка сточных вод (Х₁) в пределах от 15 до 45 % масc. средняя плотность увеличивается незначительно от нижнего к верхнему уровню. Таким образом, осадок сточных вод оказывает слабое положительное влияние на плотность.

Водотвердое отношение (Х₂) наиболее сильно влияет на плотность: при снижении его значения с 0,49 до 0,45 плотность возрастает примерно в 2 раза по сравнению со средним уровнем, а при увеличении до 0,53 резко снижается — ​более чем в 3 раза. Это свидетельствует о сильном отрицательном влиянии водотвердого отношения на среднюю плотность.

Варьирование расхода алюминиевой пуд­ры (Х₃) в диапазоне 542—622 г приводит к очень небольшим изменениям плотности, что указывает на практически незначительное отрицательное влияние этого фактора.

Таким образом, средняя плотность (Y₁) наи­более чувствительна к изменению водотвердого отношения, менее чувствительна к содержанию осадка сточных вод и практически не зависит от количества алюминиевой пудры.

Анализ модели Y₂, описывающей проч­ность при сжатии, показал, что влияние содержания осадка (X₁) в данном случае минимально (коэффициент равен 0,02), что свидетельствует о его незначительном вкладе в формирование прочностных характеристик. Водотвердое отношение (X₂) сохраняет отрицательное влияние (коэффициент –6,25), что указывает на его дестабилизирующее дей­ствие на прочность. Расход алюминиевой пудры (X₃) также характеризуется незначительным отрицательным эффектом — ​коэффициент равен –0,00225. Графические интерпретации этих математических зависимостей приведены на рисунке.

Зависимости плотности (а) и прочности (б) неавтоклавного газобетона от содержания осадка сточных вод в смеси и водотвердого отношения. Расход алюминиевой пудры принят постоянным — ​582 г/м³.

Оптимальные составы неавтоклавного ячеистого бетона и физико-механические свойства его образцов приведены в табл. 5.

Статистическая значимость уравнений проверена с помощью коэффициента детерминации и критерия Фишера. Установлено, что в исследуемой ситуации 97,48 % общей вариабельности отклика Y₁ и 98,48 % общей вариабельности отклика Y₂ объясняется изменением факторов X_j.

Согласно матрице парных коэффициентов корреляции все коэффициенты |r| < 0,7, что говорит об отсутствии мультиколлинеарности факторов.

Анализ моделей показал, что осадок сточных вод оказывает положительное, но слабое влияние на среднюю плотность газобетона и практически не влияет на его прочность при сжатии. В то же время водотвердое отношение — критический фактор, при увеличении которого значительно снижаются как плотность, так и проч­ность материала. Следовательно, для рационального использования осадка сточных вод в составе газобетона необходимо контролировать и оптимизировать водотвердое отношение, в частности, за счет повышения водосодержания, что позволит сохранить или улучшить эксплуатационные характеристики материала.

Заключение

Исследуемые процессы формирования ячеистой структуры газобетона на основе портландцемента с использованием вторичного минерального сырья открывают перспективы для разработки материалов с улучшенными эксплуатационными свойствами.

Проведенный экспериментально-расчетный анализ подтвердил возможность использования осадка сточных вод в качестве компонента неавтоклавного газобетона без ухудшения основных физико-механических характеристик последнего. Согласно полученным уравнениям множественной регрессии, содержание осадка оказывает слабое положительное влияние на среднюю плотность газобетона и практически не влияет на прочность при сжатии, что делает его применение допустимым с позиции сохранения эксплуатационных свойств материала при замене традиционного кварцевого песка в рецептуре.

Наиболее существенный фактор, влияю­щий как на плотность, так и на прочность газобетона, — ​водотвердое отношение. Его увеличение приводит к выраженному снижению обоих показателей, что подтверждается высокими отрицательными коэффициентами в регрессионных уравнениях. Количество алюминиевой пудры, напротив, незначительно влияет на исследуемые параметры.

Определены оптимальные составы ячеи­стого бетона с добавлением сухого осадка поверхностных сточных вод. Наиболее эффективно замещение 30 и 45 % масс. песка на осадок. При замещении в этом диапазоне обеспечивается прирост прочности по сравнению с контрольным образцом и не увеличивается средняя плотность. При дальнейшем увеличении доли осадка растет водопотребность и снижается предел прочности при сжатии, а также возрастают средняя плотность и теплопроводность газобетонной смеси и ухудшается ее вспучиваемость.

Полученные данные и установленные зависимости актуальны для материалов, изготовленных в лабораторных условиях с использованием описанной в статье технологии и примененного оборудования. В то же время планируется промышленное производство газобетона оптимального состава. Выявленные закономерности предположительно можно перенести на условия массового производства, при этом возможны корректировки технологического процесса с учетом масштабов производства и особенностей используемого оборудования.



ЛИТЕРАТУРА

1. Патент № 2554966 Российская Федерация. Сырьевая смесь для приготовления золощелочного бетона: опубл. 10.07.2015 / Русина В.В., Корда Е.В., Корнеев Д.Н., Громова А.Н.

2. Патент № 2374200 Российская Федерация. Сырьевая смесь для приготовления жаростойкого золошлакового бетона: опубл. 27.11.2009 / Русина В.В., Метляева А.В., Меркель Е.Н.

3. Патент № 2554967 Российская Федерация. Сырьевая смесь для приготовления коррозионностойкого золощелочного бетона: опубл. 10.07.2015 / Русина В.В., Корда Е.В., Громова А.Н., Корнеев Д.Н.

4. Патент № 2329987 Российская Федерация. Сырьевая смесь для приготовления кислотостойкого золошлакового бетона: опубл. 27.07.2008 / Русина В.В., Грызлова Е.О.

5. Патент № 2237639 Российская Федерация. Способ изготовления золощелочной бетонной смеси для монолитных строительных конструкций: опубл. 10.10.2004 / Русина В.В., Подвольская Е.Н., Шихалеева А.А., Журавлева И.В.

6. Патент № 2553130 Российская Федерация. Способ получения золошлакового бетона: опубл. 10.06.2015 / Русина В.В., Корда Е.В., Громова А.Н., Корнеев Д.Н.

7. Патент № 2134250 Российская Федерация. Способ получения неавтоклавного зольного ячеистого бетона: опубл. 10.08.1999 / Белов В.В., Ильмер Е.И., Карцева В.В.

8. Патент № 2278848 Российская Федерация. Теплоизоляционный бетон: опубл. 27.06.2006 / Сватовская Л.Б., Соловье­ва В.Я., Русанова Е.В., Сычева А.М. и др.

9. Патент № 2306300 Российская Федерация. Смесь для пенобетона: опубл. 20.09.2007 / Сватовская Л.Б., Соловьева В.Я., Чернаков В.А., Сурков В.Н. и др.

10. Патент № 2738072 Российская Федерация. Сырьевая смесь для производства легкого золобетона: опубл. 07.12.2020 / Смирнов Ю.Д., Сучкова М.В., Сверчков И.П., Матвеева В.А.

11. Патент № 2647712 Российская Федерация. Автоклавный золопенобетон: опубл. 19.03.2018 / Сватовская Л.Б., Русанова Е.В., Абу-Хасан М., Сычева А.М.

12. Патент № 2256632 Российская Федерация. Автоклавный золопенобетон: опубл. 20.07.2005 / Сватовская Л.Б., Соловьева В.Я., Русанова Е.В., Хитров А.В. и др.

13. Патент № 2593509 Российская Федерация. Состав смеси для получения безобжигового зольного гравия: опубл. 10.08.2016 / Жихарев А.А., Гилязидинова Н.В.

14. Патент № 2346904 Российская Федерация. Способ получения гидроактивированного композиционного зольного вяжущего: опубл. 20.02.2009 / Урханова Л.А, Хардаев П.К., Костромин Н.Н.

15. Патент № 2553667 Российская Федерация. Способ приготовления портландцементного вяжущего с добавлением высококальциевой золы теплоэлектростанций: опубл. 20.06.2015 / Овчаренко Г.И.

16. Патент № 2595113 Российская Федерация. Легкие вспененные вяжущие вещества на основе золы-уноса и способ их получения: опубл. 20.08.2016 / Перезпенья М.

17. Красова А.В., Смирнова О.Е., Чулкова И.Л. Применение осадка сточных вод в производстве бетона // Вестник Сиб­АДИ. 2021. Т. 18, № 5. С. 566—575.

18. Хозин В.Г., Цыганова Е.А. Роль строительной индустрии в реализации Федерального проекта «Экономика замкнутого цикла» // Эксперт: теория и практика. 2023. № 1 (20). С. 147—159.

19. Красова А.В., Смирнова О.Е., Шахов С.А. Исследование физико-химических свойств осадка ливневых сточных вод для применения в производстве легкого бетона // Эксперт: теория и практика. 2023. № 3 (22). С. 93—97.

20. Красова, А.В., Смирнова О.Е. Исследование физико-механических свойств осадка поверхностных сточных вод // Экс­перт: теория и практика. 2024. № 2 (25). С. 31—36.

21. Patent № 1009775 Canada, class 362—54. Stepwise treatment of aqueous wastes to from solid silicates: issued 03.05.77 / Krofchak D.

22. Prouty M.F., Alleman J., Berman N.T. Solidification, encap­sulation and stabilization of industrial wastes // Proc. 15th Mid-Atlant. Ind. Waste Conf. 26—28 Jun, 1983. P. 492—502.