Использование промышленных отходов Западного Казахстана для получения легких бетонов

Вяжущими компонентами в выбранных нами легких бетонах является сера, цемент, магнезиальное вяжущее и, частично, компоненты хромсодержащего шлама [1-13]. Пиритный огарок (FeО·Fe2O3) и сера восстанавливают токсичные соединения хрома (VI) CrO3 в неопасный оксид трехвалентного хрома Cr2O3:

Cr(VI)+So→Cr(III)+S(VI); E=0.62(в) Fe(III)+ So→Fe(II)+S(VI); E=0.784(в)

Положительное значение э.д.с. реакций (Е) свидетельствует о возможности протекания реакции в данном направлении.

Практически неограниченным источником оксида и оксихлорида магния являются серпетиниты – вмещающая порода Актюбинских хромитовых руд, из отходов которых соединения магния получают по следующей схеме [1]: 

MgO (в отходах) →+СО2 2 Mg(HCO3)2→ Tº +НСl

MgO (чистый оксид магния)tº←MgOCl →HCl MgCl2  · 6H2O(бишофит)

Отходы природной целлюлозы, после мерсеризации  [4.13] могут эффективно необратимо путем адсорбции очищать воду от соединений хрома (III;VI), бора, ряда токсичных тяжелых металлов. Весьма ценным с экологической, экономической и  технологической точек зрения является утилизация и использование указанных сорбентов после отработки их ресурса, в качестве компонентов сырьевых смесей для получения легких бетонов (арболитов), обладающих рядом положительных свойств: легкостью, нетоксичностью, малой звуко - и теплопроводностью и дешевизной при достаточной прочности. К арболитам относятся разновидности легких бетонов, состоящие из минерального вяжущего вещества и органического заполнителя в виде древесных отходов (дробленная древесина, тростник камыша, стебли хлопчатника, рисовая солома, косточки ореха и т.п. в дробленом виде).

Компоненты исходного неорганического сырья при механохимическом измельчении в шаровой мельнице реагируют друг с другом.

Для того, чтобы в системах из кристаллических или некристаллических твердых тел могли протекать химические реакции, необходимо, чтобы атомы в этих твердых телах могли перемещаться.

Если атомы переходят из нормальных узлов решетки в междоузлия , то они далее легко перемещаются по кристаллу из    одного междоузлия в  другое.  Один  из  вариантов  последнего механизма    является    так    называемый    ―эстафетный‖ механизм,     при     котором     атом,     находившийся     в междоузлии,    переходит    в    нормальный    узел,    выталкивая    ранее находившийся  там  атом    в  новые  междоузлия.  Этот  тип  перемещения атомов  может  наблюдаться  тогда,  когда  прямое  перемещение  атома  из одного междоузлия в другое энергетически не выгодно. Возможны также перемещения ―дырок‖ и дефектов самой решетки.

Рассмотренные механизмы перемещения атомов по решетке могут иметь место, но какой из них реализуется в каждом в конкретном случае, зависит от величины энергии, необходимой для протекания данного процесса. Общий энергетический эффект определяется величиной ΔH реакций.

В настоящее время прямыми опытами доказано[8], что при нагревании смесей двух твердых веществ при температурах, значительно ниже температуры при появлении жидкой фазы, образуются новые вещества.  В нашем случае, при  to  менее 100оС, жидкой фазой    является пленка воды на поверхности твердой фазы.  По-видимому, необходимость легкого увлажнения реакционной смеси, которое мы установили в наших экспериментах, вызвана положительной ролью жидкой фазы воды, ускоряющей механохимическую реакцию в твердой фазе.

К факторам, влияющим на ход твердофазных реакций, относятся следующие:

1. Температура и время.
2. Тонкость измельчения исходных компонентов реакции. 3.Уплотнение смеси, (создается большее число контактов частиц смеси ).
3. Природа исходных сырьевых материалов: окислительно – восстановительные свойства, степень дефектности их строения, увеличивающая скорость диффузии через слой продукта реакции. Аморфные разновидности      реагируют     значительно   быстрее кристаллических (в нашем случае это сера).
4. Перемешивание. Если технологические условия таковы, что процесс приходится проводить в порошкообразном состоянии, то перемешивание играет важную роль, т.к. при перемешивании все время удаляется реакционный слой и облегчается соприкосновение еще непрореагировавших частиц.

В качестве объектов данного исследования взяты, пиритный огарок Алгинского химического комбината и сероотходы Атырауского нефтеперегонного завода (Западный Казахстан). В работе применялся также портландцемент марки 400 Чимкентского цементного завода.

Испытание цемента проводили в соответствии с ГОСТом 310.1-76, 310.2-76, 310.3-76, 310.4-76. Для получения цемента клинкер (97%) и гипс (3%) загружали в мельницу, размалывали до тонкости, характеризующейся 8 – 10% остатка на сите № 008. помол пиритного огарка и серы производили отдельно. Подготовленные компоненты пиритного огарка на серы взвешивали в соотношениях 200:100, 250:100, 250:150 и перемешивали в в лабораторной шаровой мельнице в течение 20 мин. 

Количество добавок брали 25, 30 и 35 % от массы вяжущего. Предварительный помол клинкера с гипсом и последующее    введение    добавки    обеспечивали  тонкое измельчение частиц гипса и его равномерное распределение среди клинкерных зерен. Оптимальная дозировка активных минеральных добавок составляет 25-35% по массе вяжущего (табл. 1). При этом прочность портландцемента с серосодержащими смешанными добавками возрастает до 30МПа. С увеличением дозировки добавок, активность портландцемента снижается. Цементный камень без добавки характеризуется, как правило, более плавным нарастанием прочности.

При оптимальной дозировке смешанных добавок прочность цементного камня интенсивно возрастает, особенно в начальные сроки твердения. В дальнейшем также наблюдается повышение прочности цементного камня, хотя и в меньшей степени.

На начальной стадии твердения портландцемента с активными минеральными добавками упрочнение структуры происходит вследствие гидратации и гидролиза клинкерных минералов. Гидролиз протекает с разрушением стеклофазы Si- O и Fe- O, в результате чего образуются гелевидные новообразования кремневой кислоты и гидроксидов железа [9].

Из таблицы видно что увеличение состава активированных добавок в составе вяжущего не снижает прочности бетона в раннем возрасте, и со временем, прочность серосодержащих вяжущих повышается.

Оптимальным составом активированных добавок является соотношение 67:20:13(%).

Экспериментальные данные (таблица 1) позволяют сделать вывод, что применение добавок, полученных путем механохимической активации серосодержащего вяжущего, не оказывает существенного отрицательного влияния на прочность образцов и этот материал можно применять  в производстве арболита.

Таблица 1. Прочность (МПа) серусодержащих бетонов.

Гелевидные новообразования железистых  соединений обладают высокой удельной поверхностью и повышенной склеивающей способностью, что придает цементному камню высокую механическую прочность [9].

Полученные методом активации и детоксикации вяжущие (цементы)  позволяют  получать  и  применять,  в  соответствии  со своей прочностью (табл.1), арболитобетон для малоэтажного строительства и в качестве стенового материала.

Выводы.

1. В работе показана возможность совместной механохимической активации и детоксикации промышленных отходов и некондиционного сырья Западного Казахстана для получения легких бетонов (арболитов).
2. Рекогносцировочные эксперименты подтверждают перспективы получения вяжущих веществ с улучшенными физико – механическими свойствами из изученных в данной работе промышленных отходов.

Литература: 

1. Каскин К.К., Сарсенов А.М. ˝Комплексное использование сырья и отходов при переработке хромитовых руд.˝ Аналитический обзор (брошюра), Актюбинский центр научно – технической информации, - Актобе, 2003-20с.
2. Базарбаева С.М. Комплексная переработка и утилизация промышленных отходов Западного Казахстана (на примере основных производств Актюбинской и Атырауской областей ). Автореферат докторской диссертаций, РК ЮКГУ, Шымкент,2010-37с.
3. Краткая химическая энциклопедия. Том I-V., Советская энциклопедия, М., 1988.
4. Саренов А. Экологическая безопасность и ресурсосбережение при переработке хромитовых и боратовых руд Западного Казахстана. Изд. ВШ РК, Алматы -343с (монография).
5. Оптовые цены на химреактивы и препараты (прейскурант №05- 11045.). Прейскурант издат, М., 1984-517с.
6. Агеев В.Г., Михин Я.Я. Металлургические расчеты. Изд. Металлургия, Москва , 1982-207с.
7. Патент Российской Федераций RU2276119 ˝Сырьевая смесь для изготовления строительных конструкции и изделии˝ с приоритетом от 16.01.2004.
8. Мень А.Н., Воробьев Ю.П., Чуфаров Г.И. Физико – химические свойства нестехиометрических оксидов. Изд. ˝химия˝ ,1973-224с.
9. Федоров Н.Ф., Туник Т.А., Лабораторный практикум по физической химии силикатов – Ленинград : Изд-во Ленинградского университета, 1987-188с.
10. Павлов Н.Н. Неорганическая химия .-М.: Высшая школа. 1986-336с.
11. Юбельт Р., Шрайтер П. Определитель горных пород (перевод с немецкого Фельдман Л.Г.) Изд. ˝Мир˝ Москва, 1987-237с.
12. Грушко Я.М. Вредные неорганические соединения в промышленных сточных водах: Справочник. - Л. : Химия, 1979-169с.
13. Вольф Л.А. и др. Волокна с особыми свойствами – М.: Химия, 1980- 240с.