Экологические проблемы производства строительных материалов

При мокром способе сырьевую смесь измельчают вместе с водой. Получаемая сметанообразная жидкость шлам – содержит 32-45% воды. При мокром способе легче получить однородную (гомогенную) сырьевую смесь и меньше пыление. Поэтому он чаще применяется при значительных колебаниях химического состава известкового и глинистого компонентов. Этот способ используют и тогда, когда сырьевые материалы имеют высокую влажность, легко измельчаются и диспергируются водой. Наличие в гипсе посторонних примесей, для удаления которых необходима вода (отмучивание), также предопределяет выбор мокрого способа (рис.9.1).

 

 

 

Рис.9.1. Схема производства портландцемента по мокрому способу:

 

1 – подача извести; 2 –  подача глины; 3 – сырьевая мельница; 4 – шламобассейны; 5 – вращающаяся печь; 6 – подача угольного порошка; 7 – подготовка угольного порошка; 8 – склад клинкера; 9 – подача гипса; 10 –силосы для цемента; 11 – отгрузка цемента.

 

Размол сырья в присутствии  воды облегчается и на измельчение  расходуется меньше энергии (на дробление  и помол тратится 60-80% всей электроэнергии, расходуемой на производство цемента). Недостаток мокрого способа –  значительно больший расход топлива  при обжиге.

По сухому способу сырьевые материалы предварительно высушивают, а затем измельчают. Полученный тонкий порошок называют сырьевой мукой.

Сухой способ производства целесообразен  при сырье с относительно меньшей  влажностью и более однородным составом. Он же практикуется в случае, когда  в сырьевую смесь вместо глины  вводят гранулированный доменный шлак. Его же применяют при использовании  натуральных мергелей. Расход топлива при сухом способе во вращающихся печах горазда меньше, чем при мокром. Поэтому доля сухого способа в производстве цемента возрастает.

Сырьём для цемента  служат природные материалы (гипсовые, известковые, глинистые, мергелистые, магнезиальные, высокоглинозёмистые, кремнезёмистые породы и др.) и промышленные отходы (шлаки, золы, нефелиновый шлам и др.). Регулирование свойств цемента производится при помощи добавок: активных (гидравлических), наполнительных, ускоряющих или замедляющих схватывание, ускоряющих твердение, поверхностно-активных, пеногазообразующих, повышающих кислото- и жаропрочность, и др. Для ускорения обжига клинкера применяют фториды щелочных и щелочноземельных металлов (чаще всего ), соли кремнефтористоводородной кислоты, сернокислый и хлористый кальций и др.

Обжиг сырьевой смеси ведётся  при 1450°С во вращающихся и шахтных печах, в которых сырьевая смесь превращается в клинкер. Наиболее часто применяются вращающиеся печи, представляющие собой наклонный (под углом 3-4° к горизонту) вращающийся стальной барабан, в загрузочную часть которого подаётся сырьевая смесь, а со стороны выгрузочной части (головки) печи через форсунки подаётся топливо. Внутри барабан выложен огнеупорной футеровкой. Скорость вращения печи 0,5-1 об/мин. Поступивший в печь материал движется по направлению к головке печи, по пути подвергается обжигу и поступает в холодильник. Материал при обжиге заполняет от 7 до 15% пространства печи. Топочные газы движутся вдоль барабана навстречу обжигаемому материалу, проходят пылеулавливающее устройство и выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу. Длина вращающейся печи колеблется от 60 до 185 м, диаметр от 2,2 до 5 м. Производительность печей 10-75 т/ч.

Сырьевая смесь в печи сначала высушивается (зона сушки) и нагревается до 500-600°С (зона подогрева). При этом выгорают органические вещества и дегидратируются глинистые материалы. При дальнейшем повышении температуры разлагается и образующийся СаО начинает реагировать с составными частями глины ( ).  Процесс разложения с большой скоростью протекает при 900-1200°С (зона кальцинирования). При 1200-1300°С реакция в твёрдом состоянии между СаО и другими оксидами ускоряется и сопровождается выделением тепла (экзотермическая зона). При обжиге в клинкере появляются: , , , , , СаО, MgO и ряд других соединений. При температуре около 1450°С обжигаемый материал частично плавится, возникает жидкая фаза и материал спекается (зона спекания). Большая часть переходит в . При дальнейшем продвижении материала в печи он охлаждается до 1000-1200°С (зона охлаждения) и поступает в холодильник. После обжига охлаждённый в холодильнике клинкер направляется в клинкерный склад, затем дробится и измельчается совместно с гипсом и другими добавками.

 На качество портландцемента  сильно влияет его гранулометрический состав. Увеличение степени дисперсности цемента даёт положительный эффект только до определённого предела. Удельная поверхность обычного портландцемента без добавок составляет 5000-6000 см²/г.

Полученный цемент пневмотранспортом  направляется в железобетонные башни  цилиндрической формы (силосы), откуда часть цемента поступает на расфасовку в бумажные мешки, а другая часть отправляется навалом в специальные цементовозы.

 

9.4. Шлакопортландцемент

 

Для получения шлаковых цементов, наиболее распространенным из которых  является шлакопортландцемент, в сырьевую смесь вводят различные гранулированные шлаки, в основном доменные и электротермофосфорные (до 30-60%).

 Шлакопортландцемент получают путём совместного помола портландцементного клинкера и доменного гранулированного шлака или тщательным смешением в сухом виде тех же раздельно измельчённых материалов.

Большим достижением науки  в области химии цемента является разработка технологии и организация  производства особо быстротвердеющего шлакопортландцемента. Этот цемент, обладающий особыми свойствами, может успешно применяться в гидротехническом, автодорожном и аэродромном строительстве вследствие высокой антикоррозионной стойкости и повышенной текучести, что уменьшает усадочные напряжения и склонность бетона к растрескиванию.

Главным преимуществом шлакопортландцемента, кроме высоких строительно-технических свойств, является реальная экономия при его производстве клинкера и топлива. Использование одной тонны доменного гранулированного шлака экономит 600-700 кг клинкера. При производстве шлакопортландцемента в среднем экономится 30-40% топлива по сравнению с обычным цементом.

Использование доменных шлаков для производства цемента выгодно  и металлургам, продающим эти  многотоннажные отходы. К этому надо добавить ещё экологические преимущества за счёт уменьшения добычи сырья и отсутствия свалок для шлака со всеми вытекающими отсюда последствиями.

 

 

 

9.5. Строительная керамика

 

Строительной керамикой  называются керамические материалы, применяемые  для строительства зданий и различных  сооружений [31]. По назначению изделия строительной керамики делятся на:

• стеновые изделия (кирпич, керамические камни и панели из них);
• фасадные или облицовочные (лицевой кирпич, плитки различного вида);
• кровельные  (черепица);
• канализационные и дренажные трубы;
• керамические заполнители для бетонов (керамзит, аглопорит);
• санитарно-технические изделия (умывальные столы, ванны, унитазы).

По сложившейся традиции пористые изделия грубозернистого  строения из глинистых масс называют грубой керамикой, а изделия плотные, тонкозернистого строения, со спёкшимся черепком, водонепроницаемые, типа фарфорных, называют тонкой строительной керамикой. Однако такая классификация является условной и не отражает химической и минералогической природы керамических материалов.

Особенностью строительной керамики является широкое использование  повсеместно распространённых в  природе легкоплавких и частично тугоплавких глин, сравнительно грубая переработка масс и обжиг изделий  при относительно низких температурах, порядка 900-1100°С.

В последние годы в производстве строительной керамики широко  используются отходы горнодобывающих отраслей (угледобычи, золы ТЭЦ и другие отходы). В широких  масштабах проведены опытно-промышленные испытания использования различных  отходов для производства кирпича, пустотелого керамического камня, панелей с высокими экономическими и экологическими показателями. Однако широкому промышленному внедрению  этих разработок в значительной мере мешает инертность и обычная бюрократическая  волокита.

За последние годы построено  много новых крупных полностью  механизированных заводов по производству кирпича, фасадных и облицовочных изделий, лёгких керамических заполнителей для  бетонов. Созданы мощные перерабатывающие и формирующие механизмы. Современные  заводы оснащены высокопроизводительными  туннельными печами.

Большие изменения произошли  и в самой технологии переработки  и обжига изделий. Широко применяется  вакуумная переработка масс, сушка  в распылительных сушилках. Введены в широкую промышленную практику сушка и обжиг в скоростном режиме. Созданы поточно-механизированные линии по производству плиток, труб, фасонной керамики. В больших масштабах на заводах строительной керамики стали применять автоматический контроль и регулирование механических и тепловых процессов.

 

9.6. Кирпич

 

Основным видом стеновой керамики является кирпич глиняный обыкновенный (красный), имеющий форму параллелепипеда  размером 250-120-65мм. С целью снижения объемного веса кладки и улучшения  теплоизоляционных свойств разработаны  различные разновидности кирпича, в том числе дырчатый, пористо-дырчатый, полуторный, пустотелые камни, по размерам кратные обычному кирпичу.

Кирпич изготовляют из глины с отощающими добавками (например, песок, шлак, гидратированная глина) или без них посредством формовки, сушки и обжига. Общая технологическая схема производства кирпича по «мокрому» или «пластичному» способу представлена на рис.9.2 и включает следующие этапы:

• добычу глины в карьере и транспортировку её на кирпичный завод;
• подготовку глины путём предварительного разрыхления и перемешивания с водой, отощающими и выгорающими добавками и нагревания паром. Выгорающие добавки (древесные опилки, уголь, шлак с остатками топлива и др.) придают изделию повышенную пористость, улучшают теплозащитные свойства и морозостойкость;
• формовку сырца с помощью ленточного пресса, из мундштука которого глиняная масса с влажностью (17-35%) выходит в виде ленты и затем разрезается на автоматическом резальном аппарате;
• сушку сырца в камерных или туннельных сушках;
• обжиг при 900-1100°С  преимущественно в туннельных печах.

Кроме «мокрого» способа для изготовления кирпича широко применяется метод прессования, при котором сырец формуется из глиняной массы с влажностью 8-10% на специальных прессах под давлением 100-150 кг/см².

Обжиг кирпича имеет свои особенности, поскольку скорость нагревания и охлаждения существенно влияет на его качество. В период нагрева  до 100-150°С, когда происходит интенсивное выделение остаточной влаги сырца, возможно образование трещин  и даже разрушение сырца. Далее скорость повышения температуры может быть увеличена вплоть до достижения конечной температуры, при которой требуется несколько часов, чтобы в изделии завершился процесс спекания и усадки. При охлаждении кирпича наиболее опасным является  период прохождения температуры 500-600°С, при котором происходят объёмные изменения кварца, почти всегда присутствующего в глинах. Общая длительность обжига составляет 20-48 ч и зависит как от особенностей глин, так и от конструкции печи.

 

 

Рис. 9.2. Схема производства строительного кирпича:

 

1 – экскаватор; 2 – вагонетка  с глиной; 3 – бегуны; 4 – подаватель; 5 – ленточный пресс; 6 – вальцы; 7 – многоэтажная вагонетка;

8 – резательный аппарат; 9 – сушила; 10 – туннельная печь; 11 – сырец.

 

На новых заводах используется исключительно туннельные печи, позволяющие  полностью механизировать загрузку и выгрузку сырца и кирпича, улучшить контроль и регулирование процесса и уменьшить расход топлива (благодаря  более полному использованию  тепла топочных газов).

Туннельная печь представляет собой сплошной канал, в котором обжигаемые изделия передвигаются на вагонетках. В печи имеются три зоны: подогрева, обжига и охлаждения. В зону обжига вводят горячие топочные газы или же газообразное и жидкое топливо, сжигаемое непосредственно в рабочем пространстве. Иногда обогрев происходит через стенку.

Туннельная печь работает следующим образом. Обжигаемые изделия  поступают на вагонетках в зону нагрева. Платформы вагонеток плотно прилегают  друг к другу, образуя сплошной под (нижняя часть) печи. Продольные края вагонеток имеют щитки, которые продвигаются по песочному затвору, расположенному по обеим сторонам рельсового пути. Таким образом, оси, колеса вагонеток и рельсы защищены от действия высокой температуры, развиваемой в печи. По истечении определённого времени (0,5-3 ч) цепь вагонеток проталкивается вперёд на расстояние, равное длине одной вагонетки. При этом вначале зоны освобождается место для новой вагонетки, а из зоны охлаждения выходит вагонетка с обожжёнными изделиями.

Другим широко распространенным видом кирпича является силикатный, который формуется из смеси кварцевого песка и гашёной извести под давлением до 200 кг/см² с последующим отвердеванием под действием пара (при 175°С и давлении 8 атм) в автоклавах. Силикатный кирпич широко применяется для несущих стен и столбов. Для кладки печей и труб силикатный кирпич не применяется, так как при температуре 500°С его прочность снижается. Не применяется он и для кладки фундаментов и цоколей из-за невысокой водостойкости. Силикатный кирпич дешевле красного, почему он и широко используется для кладки стен зданий. Однако отходы при его производстве практически не применяются.

 

9.7. Черепица

 

Черепица является керамическим материалом для покрытия скатов и коньков крыш. Благодаря своим низким эксплуатационным расходам, красивому и нарядному виду во многих районах нашей страны и за рубежом черепица долгое время являлась основным кровельным материалом и в настоящее время, её используют в больших количествах, как в сельском, так и в городском жилищном и промышленном строительстве.

Широко применяется черепица следующих типов:

• пазовая штампованная с одинарным или двойным боковым и поперечным закроями и с двумя шипами;
• пазовая ленточная с одинарным или двойным боковым закроем с одним или двумя шипами;
• плоская ленточная с одним или двумя шипами;
• коньковая (желобчатая) с одинарным закроем для перекрытия коньков крыш.