Для студентов обучающихся по специальности «Производство строительных изделий и конструкций»

Минеральные вяжущие вещества

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Разнообразные побочные материалы химической промышленности, содержащие водные и безводные модификации сульфата кальция, являются неиссякаемым источником для производства гипсовых и ангидритовых вяжущих и изделий. В виде фосфогипса, борогипса, фторогипса и т. д. на соответствующих предприятиях их получают в количестве до 15 млн. т в год и почти полностью направляют в отвалы, в которых накоплено более 100 млн. т. Устройство и содержание последних, а также транспортирование отходов сопряжены, по данным А. С. Болдырева, В. И. Добужинского и Я. А. Рекитара, с затратами, превышающими 30 % капитальных вложений на основное производство и его эксплуатацию. Кроме того, отвалы занимают значительные площади земельных угодий. Особенно нежелателен сброс отходов в отвалы из-за вреда, наносимого окружающей природе. Причиной этого является, в частности, наличие в отходах вредных примесей (серная, фосфорная кислоты, фтористые соединения в количестве 1—2,5 %).

Фосфогипс образуется при переработке природных апатитовых и фосфоритовых пород в удобрение, борогипс и фторогипс — при производстве борной кислоты и фтористых соединений.

Все отходы состоят в основном из двуводного, полуводного гипса, ангидрита, общее содержание которых колеблется в пределах 80—98 % по массе. В них также могут присутствовать кремнезем и другие вещества из исходной породы. Вредные примеси частично включены в кристаллы сульфата кальция, поэтому они трудно поддаются отмывке водой или нейтрализации. В основном производстве гипсовые отходы выделяются в виде водных суспензий высокодисперсных частиц.

Комплексное использование апатитов и фосфоритов для производства удобрений и строительных материалов одновременно решает природоохранительную проблему в соответствии с законом «Основы земельного законодательства СССР и союзных республик», способствуя прекращению добычи природного гипсового камня.

Наличие в гипсовых отходах указанных примесей, обусловливающих их кислотность (рН==2...5), осложняет возможности изготовления из них гипсовых и ангидритовых вяжущих по тем технологиям, которые применяются при производстве их из природного сырья.

В частности, кислоты и фториды отрицательно отражаются на качестве продукции, вызывают повышенную сорбцию паров воды в изделиях и пониженную их морозостойкость, снижают прочностные показатели. Наконец, металлическое оборудование, используемое при производстве вяжущих и их применении, подвергается интенсивной коррозии. Улучшению качества отходов способствует промывка их водой с целью возможно полного удаления из них примесей. По этому способу работает предприятие в г. Воскресенске по изготовлению а-полуводного гипса методом автоклавной обработки промытого фосфогипса. Продукт характеризуется марками Г-25-—Г-35. Однако промывка отходов, требующая большого количества воды, усложняет производство и удорожает продукцию.

Способ изготовления ос-полугидрата с прочностью до 15 МПа через 2—4 ч из фосфогипса с добавкой извести (2—13 %) для нейтрализации вредных примесей и повышения значения рН среды до 7—10 разработан ВНИИ-Стромом. Термообработка осуществляется в автоклаве. Из продукта успешно готовились гипсоцементно-пуццо-лановые вяжущие (ГЦПВ).

По другому способу ВНИИСтрома (В. В. Иваницкий, В. П. Плетнев, П. Ф. Гордашевский) высокопрочный а-полуводный гипс можно получать обработкой фосфо-гипсовой суспензии, в которую до автоклавной обработки вводится портландцемент с активной минеральной добавкой. Более эффективным оказался ввод в суспензию предварительно гидратированного цемента с добавкой фосфогипса. Коэффициент размягчения продукта при этом достигает 0,6.

По данным МИСИ им. В. В. Куйбышева, а-полуводный гипс можно получать как в кислой, так и в щелочной среде. При вводе в полугидрат цемента совместно с активной минеральной добавкой получается смешанное водостойкое вяжущее (ГЦПВ) со сроками схватывания в пределах 20—40 мин, прочностью при сжатии 30-— 40 МПа и коэффициентом размягчения 0,7—0,8.

Изготовление вяжущих а- или р-модификаций без отмывки примесей или их нейтрализации усложняет технологию вяжущих и изделий из них из-за необходимости применять кислотостойкую аппаратуру.

Полугидрат из непромытого сырья после его предварительного обезвоживания до влагосодержания 5— 10 % часто при одновременной добавке извести (3—5 % по массе) получают в варочных котлах при 150—180 °С. В частности, по результатам исследований в НИИСиА Госстроя Литовской ССР (С. И. Стонис, А. И. Кукляус-кас, М. М. Бачаускене), строится цех на 60 тыс. т р-по-луводного гипса. При этом предусмотрена нейтрализация исходного фосфогипса известью.

В настоящее время разрабатываются обжиговые установки непрерывного действия. Получаемый в них р-полугидрат при испытании по ГОСТ 23789—79 относится к маркам по прочности Г-4—Г-6, что зависит от свойств сырья и условий термообработки. Подобные фосфогипсовые вяжущие вполне пригодны для изготовления стеновых камней, блоков и других изделий для малоэтажного строительства.

Ввод в них портландцементов с активной минеральной добавкой, по исследованиям МИСИ им. Куйбышева, в количестве 20—40 % по массе общей смеси придает им высокую водостойкость (см. главу 12).

Эффективным является получение сухих смесей из фосфогипса и негашеной извести не простым смешением компонентов, а путем обжига двуводного фосфогипса за счет теплоты гашения молотой негашеной извести (А. В. Волжеиский). При этом происходит следующая экзотермическая реакция: 2(CaS04-2H20) -f- 3CaO = = 2(CaSO4-0,6I-I2O)H-3Ca(OH)2+156 кДж.

Исходный фосфогипс и молотую известь тщательно смешивают (например, в бегунах) в соотношении примерно 1 : 0,8—1 : 1,1, что зависит от активности извести и влажности фосфогипса и быстро направляют в емкость, в которой проводится реакция при 140—160 °С. Необходимо предусматривать мероприятия для предотвращения выделения пыли в помещение.

Охлажденная смесь используется для изготовления камней, штукатурных растворов прочностью 1,5— 2,5 МПа. Для повышения ее водостойкости возможен ввод активных добавок (трепел, зола и т. п.) в количестве 20—40 % по массе смеси всех компонентов.

Обычная высокая влажность гипсовых отходов потребовала разработки приемов использования их без сушки и обжига в сочетании с другими   вяжущими т. е. в виде дисперсных смесей, в которых отходы выполняют роль заполнителей в ряде случаев с активными свойствами.

Исследования МИСИ им. Куйбышева совместно с Оргстройпроектом (А. В. Волженский, Ю. Д. Чистов, А. И. Кораблинов, В. А. Приходько и др.) показали возможность получения водостойких изделий прочностью до 2—6 МПа сочетанием фосфогипсовых необожженных отходов с известью, цементом и активными минеральными добавками. Изготовление изделий сводится к тщательному смешению всех компонентов, формованию изделий из пластичных масс и их сушке. Подобные смеси пригодны для устройства оснований дорог, а также для изготовления окатышей, применяемых в качестве гипсовой добавки при помоле портландцементного клинкера вместо природного двуводного гипса.

Кроме того, высокоподвижные суспензии из указанных компонентов пригодны для заполнения выработок полезных ископаемых в шахтах. Это направление использования вредных фосфогипсовых отходов представляется особенно перспективным по его экономической эффективности, простоте и возможности масштабного возврата всех компонентов добытых фосфорсодержащих руд в народное хозяйство.

Наконец, из фосфогипсовых отходов путем обжига их с добавками алюмокремнеземистых материалов (глины, золы, горелые породы и т. п.) при 800—1100 °С можно получать водостойкие ангидритовые вяжущие с прочностью при сжатии образцов из малоподвижного теста через 28 сут твердения до 20—30 МПа, а из растворов с песком —до 10—15 МПа. Они пригодны, в частности, для дорожного строительства и изготовления армированных сталью изделий.

Радикальным является способ использования гипсовых отходов по принципу безотходной технологии, когда они в сочетании с золой, глинами или другими материалами, состоящими преимущественно из кремнезема и глинозема, перерабатываются в серную кислоту и портландцемент.

Описанные методы переработки фосфогипсовых отходов в строительные материалы могут быть применены в случаях использования и других видов сульфатных отходов (борогипса, фторогипса, цитрогипса). При разработке соответствующих технологий, конечно,    потребуется изучение и учет их специфических свойств. В этом направлении уже проведены значительные исследования, в частности, в ЛИСИ (Ю. Г. Мещеряков и др.).