ТЕХНОГЕННЫЕ ОТХОДЫ КОСТРОМСКОЙ ОБЛАСТИ КАК СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Снижение материалоёмкости изделий с одновременным уменьшением антропогенной нагрузки при комплексном использовании сырья является одной из важнейших проблем во всех сферах производственной деятельности, начиная со строительства. Достижение этих целей невозможно без использования новых материалов и изменения структуры потребления традиционных видов ресурсов.

В условиях Костромской области актуально вовлечение в строительное производство таких промышленных отходов, как бой и брак керамического кирпича, бой тротуарной плитки и топливный шлак РЖД. В настоящее время это техногенное сырье не находит рационального применения и удаляется в отвалы, ухудшающие экологическую обстановку в регионе.

Цель работы – исследование вышеназванных отходов, для оценки их пригодности в качестве заполнителей при производстве бетонов.

Как известно, среди промышленных отходов одно из первых мест по объемам образования занимают золы и шлаки от сжигания твёрдых видов топлива. Однако уровень их полезной утилизации в России не превышает 10%. Ещё хуже обстоят дела с использованием топливных шлаков, образующихся на железной дороге. Между тем, по данным РЖД, протяженность электрифицированной сети железных дорог общего пользования на конец 2013 года, составляет чуть более 43,4 тыс. км, что составляет 50,2%. Остальные 49,8% российских железных дорог не электрифицированы. При этом более, чем на 15% неэлектрифицированных железных дорог используют твёрдые виды топлива, в результате сжигания которых образуется шлак. В научно-технической литературе сведений об использовании топливного шлака РЖД в производстве строительных материалов нет. В связи с этим, изучение свойств топливного шлака РЖД с целью его дальнейшего использования, является актуальной задачей.

Для детальных исследований в работе принят топливный шлак из отвалов Костромской области. Естественная влажность изучаемого техногенного отхода составляет не более 30%, что позволяет его перевозить автомобильным транспортом к объекта потребления.

Топливный шлак РЖД Костромской области – это сыпучий кусковой материал темно- серого цвета, с включением зерен черного цвета. Размер частиц, преимущественно, до 10мм. Однако встречаются куски размером до 40мм, имеющие желтоватый оттенок. Исследуемый шлак представляет собой пористые, неправильной формы частицы. Гранулометрический состав представлен в таблице 1.

Табл. 1. Гранулометрический состав топливного шлака РЖД

По результатам проверки зернового состава установлено, что полный остаток на сите № 0,63 составляет 73%, а модуль крупности - 3,56. Это позволяет отнести исследуемый отход (фракции 2,5 – 0,315мм) к пескам повышенной крупности. С учетом значений плотности и пористости топливного шлака, можно предположить возможность его использования в качестве легкого заполнителя.

Исследования проводились на образцах- балочках размером 4 x 4 x 16см, изготовленных из мелкозернистого бетона, в котором в качестве заполнителя использован топливный шлак РЖД фракции 0.14-   5мм, а вяжущим служил портландцемент марки 500 Липецкого цементного завода.

Выполненные исследования показали целесообразность использования топливного шлака РЖД в качестве лёгкого заполнителя в бетоне. Образцы бетона характеризуются следующими показателями:

средняя плотность 1100 - 1200кг/м3, а прочность при сжатии - до 10МПа.

Как известно, топливные шлаки в большинстве случаев не гидратируются водой и самостоятельно не твердеют. Однако при добавлении к ним щелочей, являющихся активаторами шлакового стекла, способны вступать во взаимодействие с водой с формированием соответствующих новообразований. Вполне очевидно, что при использовании заполнителя в виде топливного шлака РЖД происходит его щелочная активация Са(OH)2,  образовавшегося при гидратации цемента.  В результате взаимодействия Са(OH)2   со шлаковым стеклом, по поверхности частиц заполнителя формируются новообразования,

упрочняющие структуру бетона. В этом случае контактная зона, как таковая, отсутствует, а заполнитель становится составляющей цементной матрицы. Таким образом, дополнительное формирование новообразований способствует упрочнению структуры бетона, а небольшие значения насыпной плотности и плотности зёрен шлака позволяют получить лёгкий бетон.

Еще одним значительным резервом пополнения видов лёгких заполнителей в Костромской области может стать бой и брак керамического кирпича. Прежде всего это связано с тем, что вблизи города Костромы располагаются шесть предприятий, выпускающих керамический кирпич, а в городе и области в последние годы осуществляется крупномасштабное строительство.

Для детальных исследований в работе принят  бой и  брак керамического кирпича Арменского кирпичного завода Нерехтского района Костромской области. Основные свойства используемого материала представлены в таблице 2.

Таблица 2. Свойства боя и брака керамического кирпича

Насыпная плотность, кг/м3

Истинная плотность, кг/м3                 Средняя плотность, кг/м3                Пористость, %

847                                              2760                                                     1819                                         34

Экспериментальные исследования показали, что марка по прочности кирпича составляет 150, а по характеру поверхности, форме зёрен и размеру частиц, полученный в результате дробления и сортировки боя и брака керамического кирпича материал можно считать щебнем (фракции размером более 5мм) и песком (фракции размером менее 5мм). Значения средней и насыпной плотности позволяют отнести керамический щебень и кирпичный песок к категории лёгких.

Исследования проводились с бетоном, в котором в качестве вяжущего вещества использован портландцемент марки 500 Липецкого цементного завода, а заполнителем служили полученные керамический щебень и песок.

Результаты выполненных исследований показали, что на основе заполнителей из боя и брака керамического кирпича возможно получение лёгких и достаточно прочных бетонов.  Так, сразу после пропаривания прочность образцов составляет до 12МПа при средней плотности 1300 кг/м3.

Вполне очевидно, что используемый заполнитель (как и любые искусственные, термически обработанные заполнители) содержит активные аморфные фазы и поэтому характеризуется высокой реакционной способностью, что усиливает его влияние на формирование структуры и свойств бетона. Кроме того, заполнитель из боя и брака керамического кирпича оказывает положительное влияние на сцепление с цементным тестом. Благодаря пористости используемого щебня и песка происходит поглощение воды заполнителями в бетонной смеси, а цементное тесто проникает в открытые поры, то есть имеет место как бы срастание цементного камня с заполнителем. Кроме того, водопоглощение устраняет опасность образования у поверхности заполнителей водных плёнок, мешающих сцеплению.

Итак, как видно из результатов исследований, частично компенсировать нехватку заполнителей для производства лёгкого бетона следует безотходными  технологиями, применением местных  отходов промышленности.

Ещё одним примером такого подхода может служить использование в качестве заполнителя, но уже в тяжелых бетонах, боя тротуарной плитки, используемой сегодня во многих регионах в достаточно больших объемах. После незначительной технологической переработки, включающей в себя дробление и сортировку, этот отход представляет собой готовый к применению заполнитель.

В исследованиях использован бой тротуарной плитки ОАО “Костромской Силикатный завод”.

Исследуемый материал – это плотные, неправильной формы частицы размером 0.315 – 40мм. По форме зёрен и характеру поверхности, дробленую тротуарную плитку можно отнести к щебню (фракции размером более 5мм) и дробленому песку (фракции размером менее 5мм). Причем, анализ зернового состава (табл. 3), модуль крупности и остаток на сите №0.63, позволяют отнести получаемый песок к пескам повышенной крупности.

Таблица 3. Гранулометрический состав песка из боя тротуарной плитки Остаток на сите    

Диаметр сит, мм     

Для щебня из тротуарной плитки наибольшая крупность составляет 40 мм., а зерновой состав (табл.4)    соответствует требованиям ГОСТ. На основании значений плотности 2190 кг/м3 и прочности 25МПа, песок и щебень из боя тротуарной плитки можно считать заполнителем для тяжелого бетона.

Таблица 4. Гранулометрический состав щебня из боя тротуарной плитки

Диаметр сит, мм

Экспериментальные исследования проводились на образцах – кубах размером 10 x 10 x 10см. В исследуемом бетоне в качестве крупного заполнителя использован щебень из боя тротуарной плитки, а в качестве мелкого заполнителя - песок из боя тротуарной плитки. Вяжущим служил портландцемент марки 500 Липецкого цементного завода.

Результаты исследований показали, что прочность бетона, в котором в качестве заполнителя использован бой тротуарной плитки, составляет 30-50 МПа и более.

На наш взгляд, достаточно высокие значения прочности исследуемого бетона связаны, прежде всего, с развитой шероховатой поверхностью используемого заполнителя, что приводит не только к физико- химическому взаимодействию заполнителя с цементным камнем, но и механическому зацеплению, преодоление которого при разрушении бетона связано с сопротивлением цементного камня срезу. Кроме того, в используемом заполнителе есть (как и в любом затвердевшем бетоне) ранее не прореагировавшие с водой частицы цемента. Поэтому при дальнейшем использовании боя тротуарной плитки, такие частицы взаимодействуют с водой с дополнительным образованием фаз, уплотняющих и упрочняющих бетон.

Таким образом, эффективность использования топливного шлака РЖД, боя и брака керамического кирпича и боя тротуарной плитки определяются не только достаточно высокими физико-механическими характеристиками бетонов, получаемых на их основе, но и возможностью решения экологических проблем, связанных с утилизацией техногенных отходов.

Список литературы

1.    Харо, О.Е. Некоторые направления применения отходов производства нерудных материалов [Текст] / О.Е. Харо, Н.С. Левкова // Строительные материалы : журнал. – 2009. - №5. – С.73-74.

2.   Журавлев, А.А. Промышленность нерудных строительных материалов и дорожное строительство [Текст] / А.А. Журавлев // Строительные материалы : журнал. – 2009. - №5. – С.70-72.

3.   Золошлаковые материалы. Информационно-аналитический обзор российского рынка золошлака и золы-уноса. /Центр маркетинговых исследований - Череповец, 2009 г.