УДК 691.4

Т.Н. ПАТРУШЕВА, доктор техн. наук, профессор, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург, О.В. ЧУРБАКОВА, канд. техн. наук, доцент, Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, С. К. ПЕТРОВ, канд. техн. наук, профессор, П.В. МАТВЕЕВ, канд. техн. наук, доцент, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург

Ключевые слова: строительные материалы, производственные отходы, стабилизация характеристик вторичных продуктов
Kеywords: construction materials, industrial wastes, stabilization of characteristics of by-products

В статье рассмотрены некоторые экологические проблемы производства строительных материалов с использованием промышленных отходов. Отмечается, что неоднозначный и нестабильный химический и фракционный состав вторичных продуктов зачастую приводит к снижению качества строительных материалов и изменению их прочностных свойств. Для достижения стабильных характеристик получаемых материалов необходимо изучение составов и свойств промышленных отходов, и их дополнительная обработка для усреднения и стабилизации характеристик вторичных продуктов, а также оптимизация соотношения основного и вторичного сырья в составе строительных материалов.

Как любые объекты промышленности, предприятия стройиндустрии cпособны оказывать негативное воздействие на окружающую среду, начиная от добычи сырья и заканчивая эксплуатацией готовых объектов строительства.

Собственно производство строительных материалов является весьма материало- и энергоемким и оказывает вредное влияние на окружающую среду.

Сырьевые ресурсы строительных производств многообразны. Основным природным сырьем для изготовления всех неорганических строительных материалов (каменных и металлов) являются горные породы. Из них природные каменные материалы получают механической обработкой: дроблением, распиливанием, раскалыванием, фактурной обработкой поверхности. Технология производства строительных материалов, как правило, предусматривает дробление и смешивание измельченного сырья с другими компонентами и связующими материалами с последующей прессовкой, сушкой и термической обработкой. Эти производственные процессы сопровождаются пылевыделением и шумом.

На предприятиях строительной индустрии используется значительное количество воды. Она расходуется непосредственно в технологических процессах, на обогащение сырья, гидромеханическую добычу и транспортировку сырьевых материалов, охлаждение оборудования, шлифовку, полировку, промывку изделий и т.д. В результате в водоемы ежегодно поступает до 280 тыс. тонн солей, 28 тыс. тонн минеральных и 4 тыс. тонн органических веществ, высокотоксичные соединения хрома, фенолов, щелочей и нефтепродуктов [2]. Исследование сточных вод в асбестоцементной промышленности показало, что источником загрязнения вод этого производства является растворимые в воде составляющие цемента.

При этом промышленность строительных материалов являются наиболее емкой из отраслей, потребляющих промышленные отходы. Установлено, что их использование позволяет покрыть до 40% потребности строительства в сырьевых ресурсах [1].

Использование промышленных отходов

Наибольшее применение в строительном производстве находят шлаки черной металлургии, в частности доменные шлаки – побочный продукт при выплавке чугуна в доменных печах. Гранулы, полученные из расплавленного шлака, растирают в порошок и применяют в производстве цемента. Щебень, полученный дроблением отвального шлака, применяют как заполнитель для бетона. В строительной индустрии также используют отходы цветной металлургии, пиритные или колчеданные огарки, образующиеся в процессе обжига исходного сырья при производстве серной кислоты, гипсовые отходы химической промышленности.

Золы и шлаки тепловых электростанций (ТЭС) – минеральный остаток от сжигания твердого топлива – содержат все связанные или свободные оксиды, которые присутствуют в строительных каменных материалах, и они могут использоваться при производстве практически всех строительных материалов и изделий.

Шламы – общее название осадков суспензий, получаемых при жидкостной обработке различных материалов. Например, из нефелина при получении из него глинозема (Al₂O₃) образуется шлам, содержащий белит Ca₂SiO₄, который входит в состав портландцемента. Шламы получаются на многих других производствах. Например, в целлюлозно-бумажной промышленности при механической очистке сточных вод извлекают шламы, содержащие волокна целлюлозы и частицы каолина, которые также могут быть использованы в производстве строительных материалов. Кроме того, лигносульфонаты, образующиеся при бисульфитной варке целлюлозы, являются эффективными пластификаторами бетонов.

Возможные пути решения экологических проблем строительства

Развитие промышленности в соответствии с требованиями экологической безопасности связано с разработкой новых экологически эффективных и ресурсосберегающих технологий, производств, материалов, видов оборудования, сырья, продукции, совершенствования экологического менеджмента на предприятиях, оздоровления окружающей среды на предприятиях и прилегающей территории.

Экологические и экономические факторы привели к необходимости разработки рациональных систем водопользования на предприятиях промышленности строительных систем водного хозяйства. Замкнутые водооборотные системы разрабатываются и для предприятий производства строительных материалов. Для достижения требуемого содержания взвешенных веществ в воде разработан метод очистки в напорных гидроциклонах. Применение этих циклонов возвращает в технологический цикл цемент, что значительно сокращает потери сырья.

В настоящее время существует большое многообразие научных разработок в области ресурсосберегающих технологий [3, 4]. Нами исследована возможность использования отходов целлюлозно-бумажной промышленности – бисульфитных щелоков в качестве обеспыливающих добавок и пластификаторов цементно-бетонных смесей. Необходимо отметить, что отходы ЦБП имеют неоднозначный состав и их прямое использование приведет к получению строительных материалов различного качества, а зачастую – некачественных материалов.

В связи с этим нами проведен систематический анализ состава бисульфитных щелоков от варки лиственных, хвойных и смешанных пород древесины. Щелока разделяли на основные компоненты методом экстракции. Выявлены основные закономерности варьирования в составе щелоков лигносульфонатов, сахаров, органических кислот и неорганических веществ, а также изучено молекулярно-массовое распределение полимерных лигносульфонатов [5, 6].

Наибольшее количество лигносульфонатов отмечалось в щелоках от варки хвойных пород древесины (53-57%), тогда как в щелоках от варки лиственных пород содержание лигносульфонатов составило 48-50%. Содержание сахаров до инверсии в щелоках от варки хвойных пород составляет 4-8%, а от варки лиственных пород 10-15%.

Концентраты смешанных щелоков (партии 1-8) нестабильны по составу: наблюдаются колебания редуцирующих веществ от 6,42 до 19,7%, лигносульфонатов – от 46,61 до 53,32%, органических кислот – от 2,35 до 22,18%.

Анализ сухих показал, что в концентратах содержится 88-92% органической части и 8-12% золы, причем зола на 90-92% состоит из водорастворимых веществ. В состав золы входят в основном оксид магния 75-80%, оксид кальция 1,5-2,0, оксид алюминия и железа 1,0-1,5, элементарная сера 8-9 %.

Молекулярные массы лигносульфонатов в бисульфитных щелоках варьируются в широких пределах – от 2000 до 30000 у.е. (рис. 1), что не может гарантировать стабильных характеристик пластификаторов, изготовленных на их основе.

Предложен метод модифицирования компонентного состава бисульфитных щелоков смесью нитрата и нитрата натрия в мольном соотношении 1:1 [7], при котором усредняется молекулярно-массовое распределение лигносульфонатов и снижается содержание сахаров, которые приводят к снижению прочности бетонных смесей, что позволяет расширить границы использования отходов ЦБК в строительной и горнодобывающей промышленности (рис. 2).

Исследована возможность утилизации осадка кислотно-щелочных сточных вод, образующихся на металлообрабатывающих предприятиях, в качестве добавок к строительным материалам [8]. Химический анализ осадков включает Al₂O₃ – 31,9%, SiO₂ – 12,6%, CaO – 9,64%, MgO – 2,6%, K₂O – 0,26%, Na₂O – 0,8%. В осадке в достаточном количестве содержится коагулирующий ион Al³⁺, что позволяет использовать его в производстве арболитовых смесей, гипсового камня, бетона, строительных растворов. Нами были проведены исследования гипсовых смесей с добавками осадка кислотно-щелочных сточных вод. Для изучения были взяты составы из гипса, воды и осадка (1-5%). Нормальная густота гипсового теста составляла 48%. Из таких смесей методом литья были изготовлены образцы размером 40×40×160 мм и испытаны через 2 часа после формования (ГОСТ 125-79). В результате эксперимента было определено оптимальное количество осадка в качестве добавки к строительным смесям. Качественные показатели образцов: средняя плотность ρ0=900 кг/м³, предел прочности при сжатии Rсж.=2,8 МПа, предел прочности при изгибе Rизг.=1,5 МПа, что соответствует марке гипса Г-2. Для контрольных образцов, изготовленных только из гипса и воды, ρ=1300 кг/м³, Rсж.=3,2 МПа, Rизг.=1,8 МПа.

Установлено, что введение добавки осадка в количестве от 2,0 до 2,5% обеспечивает значительное снижение средней плотности (объемной массы) гипсового камня. При этом увеличивается пористость изделий и, следовательно, снижается масса изделий, что обеспечивает хорошую тепло- и звукоизоляцию для бетонов и строительных растворов в качестве пластифицирующей добавки.

Для определения влияния добавки осадка на прочность цементного камня, изучения кинетики твердения и определения оптимальной дозы были проведены исследования. Полученные данные представлены в табл. 1.

Таблица 1

Шифр состава	Кол-во добавки осадка, %	Прочность в возрасте
		7 суток		14 суток		28 суток
		Rизг., МПа	Rсж., МПа	Rизг, МПа	Rсж., МПа	Rизг, МПа	Rсж., МПа
Д – 0 Д – 1 Д – 2 Д – 3 К – 1 К – 2 К – 3	Без добавки 1 2 3 1 2 3	2,14 3,36 2,63 2,50 2,6 2,5 2,37	7,1 12,0 9,1 8,0 9,5 8,5 7,8	3,38 5,0 3,7 3,4 3,9 3,32 3,2	11,0 15,0 11,0 10,3 13,8 10,3 9,8	4,3 5,8 4,6 2,3 4,7 3,8 3,6	14,5 29,0 28,0 27,1 19,0 18,5 14,5

Анализ результатов исследования показал, что наиболее эффективно воздействует на прочность при сжатии и на изгибе добавка Д-1 (1% осадка от нейтрализации кислотно-щелочных сточных вод). Проведенный анализ состава осадка кислотно-щелочных сточных вод позволил рекомендовать осадок для использования в качестве полифункциональных добавок к строительным материалам.

Производство товарной продукции на основе рециклинга отходов имеет важное значение как научно-информационное обеспечение технического и технологического перевооружения предприятий стройиндустрии, освоения ими новых видов продукции с использованием достижений науки и техники.

Проведение перечисленных мероприятий позволит снизить экологические риски при реализации проектов строительного производства.

Выводы:

Использование отходов целлюлозно-бумажной промышленности в качестве пластификаторов бетонных смесей возможно после усреднения молекулярно-массового распределения лигносульфонатов и окисления сахаров. Это было достигнуто с помощью обработки щелоков нитрит-нитратной смесью. Полученный пластификатор был сравним по свойствам с коммерческим. Исследованы свойства осадков кислотно-щелочных сточных вод для последующей утилизации. Введение добавок осадка в состав бетонных и растворных смесей улучшает их свойства, снижает удельный расход цемента.

Библиографический список

1. Авалбаев Г.А., Эргашев Б.О., Бобомуратова С.Ю., Сагдуллаева С. Экологические проблемы промышленности строительных материалов // Молодой ученый, №11, 2016, с. 564-566.

2. Фирсов А.И., Борисов А.Ф., Макаров П.В. Экология и строительное производство / Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. – Нижний Новгород, 2012.

3. Усов Б.А., Окольникова Г.Э., Акимов С.Ю. Экология и производство строительных материалов // Системные технологии, №4(17), 2015, с. 84-105.

4. Рахимов Р.З., Магдеев У.Х., Ярмаковский В.Н. Экология, научные достижения и инновации в производстве строительных материалов на основе и с применением техногенного сырья // Строительные материалы, №12, 2009, с. 8-11.

5. Примачева Л.Г., Бугаева Т.Н., Гладкова Н.Я. Никитина Л.И. Особенности щелоков бисульфитных варок смешанных пород древесины // Известия вузов. Лесной журнал, №4, 1985, с.92-95.

6. Бугаева Т.Н., Скачков М.В., Примачева Л.Г. Модификация бисульфитных щелоков для получения пластификаторов бетонов // Химия и хим. технологии древес. Сб. н. тр. ЛТА 1985, с. 9-101.

7. Бугаева Т.Н. Примачева Л.Г., Гладкова Н. Я., Ковальская С.И. Фракционирование технических лигносульфонатов из щелоков бисульфитных варок // Бумажная промышленность, №1, 1985, с. 11-12.

8. Халтурина Т.И., Чурбакова О.В., Курилина Т.А. Обработка и утилизация осадка кислотно-щелочных сточных вод металлообрабатывающих предприятий. // Известия высших учебных заведений. Строительство, №8, 2010, с. 72-78.