Экологические проблемы производства строительных материалов

По своей структуре  черепица должна быть более плотной, чем кирпич, не должна пропускать влаги  и быть морозостойкой и механически  прочной. Сырьём для черепицы служат легкоплавкие, хорошо спекающиеся, достаточно пластичные и малочувствительные к  сушке глины.

Черепицу изготовляют только способом формования. Предварительно подготавливают так называемую валюшку. Массу тщательно перерабатывают, мелкие каменистые включения удаляют на камневыделительных вальцах, глину проминают на бегунах. Обжиг черепицы проводят в тех же печах, что и кирпич, при температуре 1100^оС. Часто практикуют комбинированную укладку черепицы с кирпичом, причем черепицу обжигают в верхних рядах печи.

На Палемонасском керамическом заводе (г. Каунас, Литва) впервые в мировой практике освоено производство черепицы с добавкой шламов от очистки сточных вод гальванических производств, в основном состоящих из гидрооксидов железа и содержащих в небольших количествах хром, медь, цинк, олово и другие  металлы. Черепица при этом  получается более высокого качества (за счет железа). Однако самое главное – это то, что высокотоксичные шламы гальванических производств переводятся в безвредную форму (оксиды, силикаты, алюминаты, ферриты и т.д., практически не растворимые в воде), т.е. решается важнейшая экологическая задача защиты окружающей среды от тяжелых металлов.

 

9.8. Керамзит и аглопорит

 

Керамзит и аглопорит условно относят к керамическим материалам, поскольку сырьевые материалы и способы их получения, в том числе термическая обработка, подобны тем, которые применяются в технологии производства строительной керамики из легкоплавких глин. В настоящее время керамзит и аглопорит получают в огромных количествах.

Керамзитом называют искусственный  пористый материал ячеистого строения, получаемый путем обжига. Размер керамзитовых гранул (зёрен) обычно не превышает 40 мм. Зерна с меньшим размером называют керамзитовым гравием или щебнем, а материал с зернами меньше 5 мм – керамзитовым песком. Керамзит применяют в качестве заполнителя для теплоизоляционных и конструктивных бетонов, а также для теплоизоляционных засыпок.

Технология керамзита  состоит из следующих основных операций:

• подготовки сырья;
• приготовления гранул и подготовки их к обжигу;
• обжига и охлаждения гранул;
• рассева материала на фракции с дроблением крупных кусков до требуемого размера.

Обжиг гранул имеет особенности. В обжигаемом глинистом материале  при различных температурах протекают  сложные физико-химические процессы:

• дегидратация;
• выгорание органических добавок;
• диссоциация;
• взаимодействие между компонентами глины;
• реакции окисления и восстановления и другие процессы;
• образование расплава и размягчение материала.

При быстром обжиге материала  температурные интервалы, в которых  протекают эти процессы, сближаются и накладываются один на другой, что позволяет совместить процессы газообразования с размягчением материала, – достижением им определенной вязкости, при которой происходит вспучивание глины. При этом важно  чтобы к моменту интенсивного газовыделения произошло спекание поверхностного слоя  гранул с образованием закрытых пор. В противном случае газы удаляются, не вспучивая материал. Продолжительность обжига обычно составляет 30-60 мин при 1150-1250^оС.

В настоящее время проведены  успешные испытания использования  нерегенерируемых масел и смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ или эмульсол), широко применяемых в машиностроении и являющихся многотоннажными токсичными отходами, для производства керамзита. Полезно используются отходы машиностроительных производств и, соответственно, уменьшается загрязнение сточных вод этими продуктами.

Аглопоритом называют искусственный пористый зернистый материал ячеистой структуры, получаемый термической обработкой на решетчатых агломерационных машинах глинистых пород и отходов от добычи, обогащения и сжигания углей. Аглопорит состоит в основном из стекла различного состава и является высококачественным заполнителем для армированных и неармированных легких бетонов.

Технологическая схема производства аглопорита состоит из:

• подготовки шихты необходимой газопроницаемости;
• загрузки шихты на решётку агломерационной машины;
• термической обработки шихты при 1400-1700^оС за счет сжигания топлива (специально введённого или имеющегося в шихте) с поверхности при одновременном просасывании воздуха сверху вниз;
• охлаждения получаемого бруса или гранул;
• дробления охлаждённого продукта;
• сортировки аглопорита по фракциям.

В гражданском и промышленном строительстве в больших количествах  требуются санитарно-технические изделия: умывальники, унитазы, сливные бачки и другие изделия из фаянса и полуфарфора.

Технологическая схема поточного  производства санитарно-технических  изделий значительно сложнее, чем  получение кирпича, черепицы, керамзита  и аглопорита. В качестве сырья для фаянсовых и полуфарфоровых изделий применяют огнеупорные глины (20-30%), каолины (25-32%), кварцевый песок (25-30%), обожженный бой изделий (6-16%), плавни (до 20%).

В полуфарфоровые массы для  лучшего спекания материала вводят большое количество плавней (легкоплавкие материалы). Формуют изделия на конвейерах методом литья водных суспензий (шликера) в гипсовые формы с последующими сушкой полуфабриката, нанесением глазури и обжигом при 1240-1280^оС. В состав глазури входят кварц, полевой шпат, мел, мрамор, доломит, сода, поташ, бура, соединения свинца и бария. При обжиге глазурь образует на поверхности изделия тонкий стекловидный слой, повышающий технические и декоративные качества изделий.

 

 

 

 

9.9. Стекло

 

Стекло – вещество, полученное при остывании расплава в виде изотропного, хрупкого, прозрачного  или просвечивающегося тела. В отличие от кристаллических плит, плавящихся при нагревании, стекло при повышении температуры постепенно размягчается вплоть до образования расплава, при этом постепенно изменяются свойства стекла. Переход стекла из жидкого состояния в твёрдое – обратимый процесс. Затвердевшее стекло, будучи переохлаждённой системой, находится в состоянии неустойчивого равновесия и при определённых температурных условиях может закристаллизоваться [32].

Количество сортов стёкол (по химическому составу) исчисляется  сотнями. Стекло всё шире применяется  в качестве строительного материала. Часто применяются стеклянные блоки, обладающие комплексом ценных для строительного  материала свойств: малым объёмным весом, высокой прочностью, высокими тепло- и звукоизоляционными качествами. Большие перспективы открываются  перед новыми материалами – так  называемыми стеклопластиками, в которых стекловолокно и стеклянные плёнки сочетаются с различными связующими органическими материалами. Стеклопластики в ряде случаев не уступают, по прочности, стали и в то же время легче её более чем в 4 раза. Из стеклопластиков изготавливают корпуса кораблей, кузова автомобилей, цистерны, строительные детали (в том числе и прозрачные), разнообразные детали машин и т.д. Стеклопластики заменяют дерево, цветные и чёрные металлы. Стеклопластики по своим свойствам часто превосходят эти материалы, именно поэтому их нередко называют незаменимыми заменителями.

Каждый знает, что основным недостатком стекла является его  хрупкость. Однако уже сейчас достигнуты поразительные успехи в повышении  прочности стекла. Методами термохимического упрочнения удаётся повысить сопротивление  стекла статическому изгибу до 200 кг/мм². Широко распространено производство закалённого стекла, применяемого наряду с многослойным стеклом для остекления автомашин и самолётов, в качестве «безопасного» стекла. Физические свойства стекла в основном определяются химическим составом компонентов, условиями варки стекла и последующей его термической обработкой.

Технология производства стекла включает следующие основные процессы:

• подготовку сырьевых материалов;
• смешение этих материалов и приготовление однородной шихты;
• варку стекла;
• формование и обжиг стекла.

В некоторых случаях требуется  химическая, механическая и термическая  обработка изделий.

Сырьевые материалы, применяемые  в производстве стекла, делятся на главные стеклообразующие материалы (чистый кварцевый песок, сода, поташ, сульфат натрия, известняк, доломит, борная кислота или бура, фосфорная кислота или фосфаты, чистый глинозём или каолин, полевой шпат, сурик, оксид цинка и др.) и вспомогательные материалы (красители, обесцвечивающие вещества, окислители, восстановители, осветлители). В качестве красителей применяют соединения металлов (закиси кобальта и никеля, оксиды железа, хрома, марганца, меди, урана, селена, сернистый кадмий, хлорное золото и др.). Обесцвечивающими веществами являются: селен, закись кобальта, оксид марганца. В качестве окислителя в стекольную шихту вводят натриевую или калиевую селитру, мышьяковистый ангидрит, пероксид марганца. Восстановителями служат: уголь, кокс, виннокаменные соли, соединения олова. Для получения матового «молочного» стекла применяют фторсиликат натрия, а также соли фосфорной кислоты с соединениями олова. Осветлителями, т.е. материалами, облегчающими удаление из стекломассы газовых пузырьков, являются нитрат и сульфат аммония, хлорид натрия и другие.

Стекольная шихта должна быть однородной, поскольку от этого зависит качество стекломассы. Поэтому сырьевые материалы  предварительно измельчают, просеивают и тщательно перемешивают.

Варка строительного стекла проводится в ванных печах (рис.9.3) и подразделяется на собственно варку, осветление, гомогенизацию и охлаждение (так называемую студку стекла).

Процесс стеклообразования  начинается при 1200-1240^оС. Для шихт, содержащих кремнезём, углекислые кальций, магний и натрий, процессы, протекающие между компонентами шихты при нагревании, можно представить следующей схемой:

 

<300^оС                        ,

<400^оС                       ,

340-620^оС                  ,

450-700^оС                  ,

585-900^оС                 ,

912^оС                         полное разложение + ,

700-900^оС                  ,

600-920^оС                  ,

980-1150^оС                ,

1010-1150^оС              ,

1200-1240^оС              стеклообразование.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9.3 Конструкция ванной печи для формовки листового стекла:

 

а – продольный разрез; б – поперечный разрез; 1 – варочная часть; 2 – зона студки; 3 – заградительное приспособление в области стекломассы (керамические брусья «лодки» или охлаждаемые водой трубы); 4 – перегородка в области пламенного пространства; 5 – горелки; 6 – пламенное пространство; 7 – загрузочный карман.

 

Варка стекла обычно производится при 1400-1450^оС, осветление и гомогенизация – при 1500^оС, студка – при 1200^оС. Проварившаяся стекломасса, как правило, содержит большое число видимых газовых пузырьков, удаление которых происходит при максимальной температуре и минимальной вязкости.

Формование изделий из стекла почти полностью механизировано. Ручное формование применяется только при изготовлении изделий сложной конфигурации и некоторых бытовых и художественных изделий. В зависимости от химического состава стекломассы формование стеклоизделий производится при 800-1100^оС.

Формование стеклянных изделий  производится следующими методами:

• вытягиванием (листовое оконное и трубчатое стекло);
• прокаткой (толстое зеркальное листовое стекло);
• прессованием (плитка, изоляторы, стаканы, вазы);
• выдуванием (бутылки, склянки, плафоны);
• прессовыдуванием (консервная тара, осветительная арматура).

Для осуществления каждого  из этих методов формования применяются  разные приспособления и различные  по своей конструкции и принципу действия машины.

 

9.10. Ситалл и шлакоситалл

 

Ситаллами называются кристаллические материалы, получаемые при введении в расплавленное стекло катализаторов, в результате чего в объёме материала возникают центры кристаллизации, на которых происходит рост кристаллов основной фазы. Термин «ситаллы» предложен профессором МХТИ им. Д.И. Менделеева И.И. Китайгородским и происходит от слов «стекло» и «кристалл».

В зависимости от состава  стекла, типа катализатора и режима термической обработки из одного и того же состава стекла можно  получить ситаллы с различными кристаллическими фазами, а, следовательно, и с различными заранее заданными свойствами. Ситаллы могут быть также получены из расплава стёкол на основе огненно-жидких и металлургических шлаков.

Разработка теоретических  основ синтеза и промышленной технологии нового класса стеклокристаллических  материалов – шлакоситаллов явилась одним из крупных достижений в области химической технологии строительных материалов. Учённые МХТИ им. Д.И. Менделеева, НИИ Автостекло и Государственного института стекла совместно с работниками Константиновского завода «Автостекло» впервые в мировой практике разработали технологию и в короткие сроки внедрили в промышленном масштабе производство листового шлакоситалла (методом непрерывного проката) и прессованных шлакоситалловых плиток.

Составы шлаковых стёкол определяются видом используемого шлака. Пределы  изменения химического состава  стёкол, предназначенных для получения  шлакоситаллов, сравнительно невелики. Основной корректирующей добавкой в большинстве случаев является обычный песок. В зависимости от вида шлака стекла могут принадлежать к системам:

• (константиновский шлак от производства чугуна);
• (высокомагнезиальные шлаки Урала и Сибири);
• (топливные шлаки и золы).

Практически во все шлаковые стёкла вводится щелочной оксид в  количестве 3-5%. Основой шихты для  получения шлакоситалла служит измельчённый доменный шлак (до 60%), песок (35-40%) и некоторые другие добавки. Во всех составах шлакоситаллов присутствует фтор (до 2,5%).  Специально вводимые добавки соединений фтора существенно понижают температуру кристаллизации и устраняют температурный разрыв между процессами образования зародышей и роста основной фазы (волласанита) в шлакоситаллах. Температура кристаллизации шлакоситалла составляет 930-980⁰С.

Благодаря специальным добавкам шлакоситаллы можно получать чёрного, белого, голубого и других цветов. Прочность шлакоситаллов на изгиб достигает 2500 кг/см². Шлакоситаллы обладают исключительно высокой износоустойчивостью, а также химической и термической стойкостью.