Экологические проблемы производства строительных материалов

9. Экологические проблемы производства  строительных       материалов

 

«Главная цель передовой  технологии - отыскание способа производства полезного из бросового, бесполезного»

 

Д.И. Менделеев

 

Промышленность строительных материалов – крупнейший потребитель природных ресурсов. Эта отрасль ежегодно добывает и перерабатывает около 3 млрд. т сырья: песка, глин, гипса, известняков, гранитов, базальтов и многих  других осадочных и изверженных пород и таким образом наносит серьезный ущерб окружающей среде, выражающийся, прежде всего в загрязнении атмосферы и поверхности земли.

По загрязнению атмосферы  пылью промышленность строительных материалов занимает первое место (34,7%) среди всех отраслей промышленности; второе место – тепловая энергетика (29,5%); третье – автотранспорт (15,8%).

С другой стороны, промышленность строительных материалов в больших  масштабах и с большим эффектом использует отходы других отраслей. Так, уже сейчас в отрасли используется в год более 300 млн. т различных  отходов других отраслей промышленности,   что позволяет получать дополнительно  значительное количество цемента, мягкой кровли, стекла, керамических изделий  и других строительных материалов. Однако возможности значительно  большего  и высокоэффективного использования отходов вторичных  и вскрышных пород гораздо  шире. Так, только золошлаковых отходов ТЭЦ в нашей стране ежегодно образуется около 100 млн. т, а используется всего около 10%.

На основе зол и шлаков ТЭЦ можно выпускать более 15 видов  строительных материалов. По данным ЕЭК  ООН общее использование золошлаковых отходов ТЭЦ в ФРГ составляет 80%, во Франции – 65, в Великобритании – 53, в Бельгии – 44, в России – 10.

Однако необходимо отметить, что производство строительных материалов основано на точных химических законах, поэтому для изготовления многих видов строительных материалов, например, цементов, можно использовать золы (как и другие отходы) только определённых составов и фракций (в частности  отобранных в циклонах и электрофильтрах  при сухом золоудалении). На большинстве  ТЭЦ применяется мокрое золоудаление, в результате которого зола теряет свои вяжущие свойства и не может  быть использована в производстве цемента. Большое остаточное содержание топлива  в золе (иногда до 20-30%) служит препятствием для изготовления ячеистых бетонов  и  силикатного кирпича.

В то же время эти золы крайне выгодно использовать в качестве сырьевой смеси для производства цемента, аглопорита, глиняного кирпича, поскольку в процессе обжига топливо выгорает, что способствует его меньшему общему расходу.

Этот пример показывает, что  для использования отходов в  других производствах они должны быть выданы в удобном для последующего использования, «товарном»,  облагороженном виде.

 

9.1. Классификация строительных  материалов

 

К основным строительным материалам относятся:

• природные каменные материалы и изделия, получаемые из горных пород путем механической обработки;
• искусственные обожженные каменные материалы из глины: кирпич, керамические блоки, черепица, облицовочные плитки, канализационные трубы, керамзит и аглопорит, санитарно-технические изделия и т.д.;
• минеральные вяжущие вещества: цементы, известь, гипсовые вяжущие, магнезиальные вяжущие, служащие для изготовления растворов и бетонов;
• искусственные каменные необожженные материалы и изделия: силикатный кирпич, асбестоцементные изделия, бетонные изделия, грунтоблоки;
• тепло- и звукоизоляционные материалы: минеральная вата, пеностекло, пеногазобетон, пенокерамика, некоторые органические теплоизоляционные материалы и т. д.;
• битумные вяжущие вещества, гидроизоляционные и кровельные рулонные    материалы (рубероид);
• стекло, шлакоситаллы и изделия из них;
• металлические изделия;
• лесоматериалы;
• краски, лаки и другие материалы.

 

9.2. Вяжущие материалы

 

Вяжущими материалами называются строительные материалы, способные  в результате физико-химических процессов  переходить из жидкого или тестообразного состояния в твёрдое камневидное, связывая при этом смешанные с  ним куски и частицы инертных заполнителей (щебень, гравий, керамзит, песок) в одно монолитное целое (бетон) или соединять кирпич, камни и  т.д.

Вяжущие материалы разделяются  на неорганические минеральные вещества: цементы, известь, гипс и органические: битумные, дёгтевые, асфальт (применяются в дорожном строительстве, а также при гидроизоляции, кровельных и других работах) [30]. 

В зависимости от условий  твердения вяжущие материалы  делятся на две группы:

• воздушные – твердеющие и сохраняющие или повышающие свою прочность только на воздухе (известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие);
• гидравлические – твердеющие и сохраняющие или повышающие свою прочность не только на воздухе, но и в воде (цементы, гидравлическая известь, получаемые путём смешения цементов или извести с гидравлическими добавками).

Для наземных сооружений применяются  воздушные и гидравлические вяжущие  материалы, для подземных, гидротехнических, подводных сооружений – только гидравлические.

Воздушная известь, получается, посредством обжига (900^оС) природных материалов, содержащих (известняки, в том числе доломитизированные мел). В основном она состоит из и в таком состоянии называется негашёной известью или кипелкой.

При обработке водой негашёная  известь переходит в гашёную, содержащую в основном . При гашении извести ограниченным количеством воды получается пушонка. При гашении извести большим количеством воды образуется известковое тесто или известковое молоко, которое применяют при изготовлении строительных растворов для кладки стен и штукатурки. В больших количествах известковое молоко используется для нейтрализации и очистки сточных вод. На воздухе известковые растворы постепенно твердеют с кристаллизацией в толще раствора и с образованием в поверхностном слое при взаимодействии с воздуха.

Гипсовые вяжущие на основе получают из природного двухводного гипса ( ), природного ангидрита ( ) и некоторых отходов промышленности, самым многотоннажным из которых является фосфогипс. Различают быстротвердеющие гипсовые вяжущие, состоящие в основном из полуводного гипса, и медленнотвердеющие, в которые в основном входит безводный гипс. К первым относятся строительный гипс, а также формовочный и медицинский гипсы, ко вторым – ангидритовый цемент и высокообжиговый гипс (обжигаемый при температуре 800 - 1000^оС ), так называемый эстрих-гипс.

Строительный гипс получают термической обработкой гипсового камня и измельчением его после этой обработки. Термическая обработка ведется при l40 - I90^оС при этом двухводный гипс превращается в полуводный. В зависимости от условий термической обработки различают две модификации полуводного гипса: и - полугидраты. Главной составной частью строительного гипса является - полугидрат. Строительный гипс применяют для изготовления известково-гипсовых растворов, для штукатурных работ, для производства листов сухой штукатурки, перегородочных плит, панелей и других строительных деталей. Из строительного гипса изготовляют также искусственный мрамор, декоративные изделия, формы для отливки керамических изделий и другие материалы. В Воскресенском п/о «Минудобрения» было налажено производство облицовочных, декоративных и перегородных гипсовых плит из фосфогипса.

Ангидритовый цемент состоит преимущественно из безводного сернокислого кальция. Его получают обжигом природного двухводного гипса при 600-700°С  с последующим измельчением продукта обжига совместно с катализаторами твердения (известь, сульфат или гидросульфат натрия в смеси с железным или медным купоросом и др.), а также тонким измельчением природного ангидрита с катализатором. Ангидритовый цемент применяют для изготовления кладочных и штукатурных растворов, а также для получения бетонов и различных строительных деталей.

Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) получают обжигом природного двухводного гипса или природного ангидрита при 800 - 1000°С с последующим измельчением. При этом происходит не только обезвоживание двухводного гипса, но и частично  разложение с образованием свободной извести и в отходящих газах. Эта известь в высокообжиговом гипсе играет роль катализатора. Изделия из высокообжигового гипса имеют высокую прочность на истирание, они мало тепло- и звукопроводны. Поэтому такой гипс применяют для изготовления полов. Высокообжиговый  гипс можно также использовать для приготовления строительных растворов и бетонов, искусственного мрамора и других изделий.

Гидравлические вяжущие  материалы принадлежат к более  сложным веществам, основу которых  составляет смесь:

 

 

Наиболее известными и  распространёнными являются различные  цементы.

 

9.3. Цемент

 

Цементы составляют большую группу неорганических вяжущих, порошкообразных  материалов, образующих при смешении с водой пластичную массу, затвердевающую в прочное каменное тело. Основными видами цементов являются: портландцементы, пуццолановые, шлаковые, глинозёмистые, расширяющиеся, романцементы, цементы с наполнителями.

Наиболее широко применяются портландцементы. По своим свойствам портландцементы делятся на быстротвердеющие, особо быстротвердеющие, высокопрочные, пластифицированные, гидрофобные, сульфатостойкие, белые и цветные, тампонажные, дорожные и для асбестоцементных изделий. Портландцемент получают тонким помолом клинкера, образующегося в результате обжига до спекания искусственной смеси, в составе которой преобладают силикаты кальция (70-80%).

Химический состав портландцемента (без добавок) включает: 62-76%, 20-24%, 4-7%, 2-5-%, 1,5-4%  и другие примеси.

 Минералогический состав портландцемента следующий: 40-60%, 15-35%, 4-14%, 10-18%. Вяжущими свойствами обладают силикаты кальция.

 Марки цемента (300, 400, 600,700) устанавливаются по пределу прочности при сжатии кубиков из цементного раствора с песком состава 1:3 по массе после 28 дневного твердения (в кг/см²).

Процесс твердения портландцемента  в основном определяется гидратацией силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция. При взаимодействии порошка цемента с водой в основном протекают следующие реакции:

 

 

Для удобства написания формул различных соединений, с которыми приходится иметь дело в химии  и технологии вяжущих соединений, приняты особые сокращенные обозначения, в которых оксиды обозначаются первой буквой относящейся  к ним формулы, а индексы около букв означают число эквивалентов данного оксида.

 Например, обозначаются как , , и .

Свойства цемента зависят от соотношения основных оксидов в клинкере и могут быть охарактеризованы тремя величинами:

• коэффициентом насыщения  (КН),  %;

коэффициент насыщения кремнезема оксидами кальция выражается следующей  формулой:

 

 

где - общее содержание оксида кальция в смеси, мас.%, - свободный оксид кальция, т.е. не вошедший в реакцию с другими (кислыми) оксидами, - общее содержание оксида кремния, - не вошедший в реакцию кремнезем, определяемый по величине нерастворимого остатка.

Коэффициент насыщения представляет собой отношение количества оксида кальция, оставшегося после полного  насыщения им глинозёма, оксида железа и серного ангидрида соответственно до , и к тому количеству оксида кальция, которое необходимо для полного насыщения кремнезема до .

Величина  КН обычно выражается формулой:

 

 

Низкий коэффициент насыщения  вызывает более медленное твердение  вследствие повышенного содержания и пониженного . Поэтому необходимо стремиться к более высокому КН, но при одном непременном условии, чтобы оксид кальция полностью связывался в составляющие клинкер соединения. Для портландцемента КН = 0,8-0,95 %;

• силикатным или кремнеземистым модулем (n);

определяющим отношение содержания вошедшей в реакцию кремнекислоты к суммарному содержанию глинозёма и оксида железа:

 

 

Для портландцемента n = 1,7-3,5.

Величина n определяет относительное содержание минералов-силикатов ( и ) и минералов-плавней ( ) и выражается формулой:

 

 

Цементы с высоким силикатным модулем медленно схватываются и  твердеют, но с течением времени  прочность их возрастает и через  длительные сроки оказывается весьма высокой. Повышение силикатного  модуля увеличивает стойкость цементов в минерализованных водах, но высокий  n  затрудняет спекание портландцементного клинкера. Низкий же силикатный модуль вызывает затруднения при обжиге из-за легкоплавкости сырьевой смеси, сваривания её в куски и возможности образования на футеровке печи толстого слоя колец (навара), затрудняющего перемещение клинкера вдоль печи;

• глинозёмным или алюминатным модулем (Р);

показывающим отношение содержания глинозёма к содержанию оксида железа:

 

 

Величина P = 1,0-3,0. Величина Р определяется отношением алюмината к алюмоферриту кальция:

 

 

Цементы с высоким глинозёмным  модулем, т.е. повышенным содержанием  , быстрее схватываются и твердеют, но зато достигнутая в первое время прочность в дальнейшем мало или почти не возрастает. Такие цементы менее устойчивы к действию минерализованных вод. Обжиг их затруднён вследствие повышенной вязкости жидкой фазы, что замедляет процесс образования . При малой же величине глинозёмного модуля, т.е. при более значительном содержании оксида железа, цементы медленно схватываются и твердеют, но дают более высокую конечную прочность. Клинкер в этом случае делается весьма легкоплавким, что может вызывать образование сводов и больших комьев.

Существует два основных способа производства цемента: мокрый и сухой. Производство цемента в  основном состоит из следующих операций:

• добыча сырья;
• приготовление сырьевой смеси (дробление исходных материалов, помол и гомогенизация смеси);
• обжиг сырьевой смеси;
• помол обожженного продукта в тонкий порошок.