В статье говорится о разработке технологии производства искусственного пористого заполнителя на основе гранулированных шлаков ТЭС. При проведении экспериментальных исследований в качестве основного сырья были приняты гранулированные шлаки ТЭС разных предприятий. Проводились исследования по вспучиваемости гранул, изготовленных из массы на основе шлаков ТЭС, в зависимости от температурно-временных параметров. Выявлено, что шлаки ТЭС можно использовать в качестве основного сырья для производства искусственного пористого заполнителя.
УДК 666.972.125
Гусейн Наджаф оглы МАМЕДОВ, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, зав. лабораторией, Ирада Гарун кызы СУЛЕЙМАНОВА, доктор философии по химии, ведущий научный сотрудник, Айдын Фаррух оглы ДЖАВАДЛЫ, мл. научный сотрудник, Багадур Мариф оглы ТАГИРОВ, мл. научный сотрудник, Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт строительных материалов (НИПКИСМ) им. С.А. Дадашева, Баку, Азербайджан
Ключевые слова: минерально-сырьевая база, производство строительных материалов, легкий заполнитель, прочность, температура вспучивания
Keywords: mineral and raw materials base, production of construction materials, lightweight filler, strength, temperature of expansion
Экономия топливно-энергетических ресурсов, снижение материалоемкости строительных конструкций, улучшение их качества, повышение теплозащитных свойств, снижение массы зданий и сооружений являются важнейшими задачами строительства.
Одним из наиболее эффективных путей решения этих проблем является производство и применение изделий и конструкций из легких бетонов на искусственных пористых заполнителях.
Наиболее распространенным на сегодняшний день искусственным пористым заполнителем является керамзит. Вместе с тем хорошо вспучивающиеся глинистые породы для производства керамзитового гравия имеются далеко не во всех регионах, и их запасы с каждым годом уменьшаются. Большинство предприятий по его производству базируются на низкосортном сырье и корректируют составы шихты путем введения в нее различных добавок. Поэтому важное значение приобретает применение отходов промышленности, в частности шлаков ТЭС, при производстве искусственных пористых заполнителей.
Использование отходов промышленности в производстве искусственных пористых заполнителей дает возможность сберечь материальные, а также природные ресурсы, в той или иной степени решить задачу вовлечения вторичных ресурсов в производство строительных материалов и проблему защиты окружающей среды от загрязнения.
При изучении пригодности шлаков ТЭС как основного сырья для производства искусственного пористого заполнителя для выполнения экспериментальных исследований были приняты шлаки разных предприятий, отличающиеся между собой по химическому составу. Химические составы используемых топливных шлаков представлены в табл. 1.
Таблица 1. Химические свойства гранулированных топливных шлаков
| № пп | Наименование предприятия | Химический состав, % | Модуль основности | Модуль активности | ||||||||
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | FeO | CaO | MgO | SO3 | Na2O+K2O | п.п.п. | ||||
| 1 | Московская ТЭС-12 | 48,72 | 28,06 | 14,42 | 1,16 | 4,19 | 1,11 | 0,49 | 2,05 | 14,3 | 0,06 | 0,57 |
| 2 | Санкт-Петербургская ТЭС-5 | 60,4 | 22,8 | — | 8,96 | 4,08 | 2,82 | 0,87 | 3,05 | 0,8 | 0,07 | 0,38 |
| 3 | Томь-Усинская ГРЭС | 58,09 | 29,69 | 0,26 | 7,01 | 3,11 | 0.94 | 0.21 | 2,85 | — | 0,04 | 0,51 |
| 4 | Назаровская ТЭС | 41,10 | 9,47 | 2,02 | 11,25 | 30,07 | 6,5 | — | 1,95 | — | 0,72 | 0,23 |
| 5 | Воронежская ТЭС | 51,22 | 19,91 | 11,38 | 1,75 | 8,13 | 1,76 | 0,45 | 3,36 | 5,54 | 0,12 | 0,38 |
| 6 | Красноярская ТЭС-1 | 56,2 | 17,2 | 9,21 | 1,78 | 12,3 | 6,5 | 0,85 | 2,75 | 4,68 | 0,25 | 0,30 |
Анализ результатов химических составов топливных шлаков показывает, что модули активности и основности шлаков, представленных в табл. 1, не так сильно отличаются между собой. Модуль основности меняется в пределах 0,06÷0,25, модуль активности – от 0,30 до 0,57. В химическом составе шлаков заметно отличается содержание п.п.п., которые могут являться основным параметром при проявлении газообразной фазы при вспучивании.
В химическом составе шлаков Московской ТЭС-12 п.п.п. составляют 14,3%, а в составе шлаков Санкт-Петербургской ТЭС-5 – всего 0,8%. В составе шлаков Томь-Усинской ГРЭС и Назаровской ТЭС п.п.п. отсутствуют.
Остальные составляющие окислы в разных шлаках не так сильно отличаются друг от друга. В химическом составе имеется достаточное количество Fe2O3 и FeO, а также Na2O+K2O, которые играют большую роль при вспучивании под воздействием высоких температур и при образовании в массе жидкой фазы.
Выявлено, что одним из основных требований для поризации исследуемых масс является первичная кристаллизация фаз в составе масс. С этой точки зрения во всех исследованных шлаках определено содержание стекла. Рентгеноструктурные анализы показывают, что во всех шлаках гранулирование происходит в достаточно нормальных условиях, почти отсутствует степень кристаллизации. На рентгенограмме шлаков ТЭС основным составляющим фиксируется стекло (рис. 1). Насыпная плотность топливных шлаков меняется в пределах 1150-1300 кг/м3. Размер основной части фракции образуется менее 10 мм.
С целью изучения пригодности шлаков ТЭС как основного сырья для производства искусственного пористого заполнителя готовилась шихта на основе шлаков ТЭС различных предприятий, корректировались составы масс и изготавливались образцы в виде цилиндра высотой и диаметром 16 мм. Образцы высушивались и вспучивались по заданному режиму. Результаты исследований представлены на рис. 2.
Результаты исследований показывают, что при воздействии высоких температур (750-800°С) отдельные зерна начинают размягчаться, спекаться и, в конечном счете, уплотняться. Образовываются газонепроницаемые замкнутые полости, при этом они находятся в пиропластическом состоянии, т.е. обладают способностью к пластическим деформациям без разрыва сплошности. Плотность при этом достигает до 1,8 г/см3. С повышением температуры выше 800°С внутри полости за счет образования газообразной фазы выделяются газы, и они, не имея выхода через оболочку, создают во внутренней полости избыточное давление, под воздействием которого происходит расширение – вспучивание гранул. Фиксируется снижение плотности вспученных гранул. Процесс вспучивания продолжается до температуры 1050-1100°С. Плотность вспученных гранул снижается до 1,35-1,40 г/см3 (рис. 2, гр. 1а÷5а).
В этом интервале прекращается процесс газовыделения, и в зависимости от этого завершается процесс вспучивания. При дальнейшем повышении температуры вспучивания до 1150-1200°С фиксируется повышение плотности вспученных гранул до 1,42-1,50 г/см3. Микроскопические исследования показали, что поризация наблюдается в поверхностном слое, а внутренние слои образцов не поризованы. Причиной прекращения вспучивания является большой перепад температур между центром и поверхностью гранул. Когда на поверхности гранулы образуется размягченная газонепроницаемая оболочка, в центре гранулы из-за низких температур еще не завершен процесс капсуляции частиц и не началось газообразование. Поэтому на поверхностном слое гранул прекращается процесс вспучивания, а внутренние слои, не имея свободы расширения, остаются непоризованными.
Для обеспечения вспучивания образцов по всему сечению было намечено исследовать влияние предварительной термообработки, т.е. предварительного нагрева гранул до температур ниже начала выгорания газообразующих добавок – 200-600°С. Результаты исследований влияния предварительной термоподготовки на процесс вспучивания массы из шлаков ТЭС различных предприятий представлены на рис. 3.
Результаты исследований, представленные на рис. 3, показывают, что оптимальная поризация гранул происходит при температуре предварительной термоподготовки в интервале 300-400°С. Ниже 300°С, а также выше 400°С не обеспечивается совмещение процессов перехода материала в пиропластическое состояние с процессом газовыделения. Температура предварительной термоподготовки ниже 300°С является недостаточной для процесса начала газовыделения, а при 400°С газовыделение быстро начинается, образуется большое количество газов, и они легко разрывают массу и выделяются из гранулы, не производя полностью процесса вспучивания по всему сечению. Поэтому оптимальный интервал температуры предварительной термоподготовки для поризации массы из шлаков ТЭС находится в пределах 300-400°С.
Образцы, прошедшие предварительную термоподготовку, вспучиваются по всему сечению гранулы. Начало вспучивания фиксируется около 850°С.
Характер кривых резко меняется. Интенсивное вспучивание продолжается до температуры 1150°С (кривые 1÷5). Максимальное порообразование формируется в интервале температуры вспучивания 1150-1170°С. Пористость гранулы достигает до 80%. Завершение процесса поризации происходит при температуре около 1150-1160°С. При повышении температуры вспучивания выше 1170°С отмечается оплавление поверхности гранулы и повышение плотности вспученных образцов. Оптимальный интервал температуры вспучивания находится в пределах 1120-1170°С.
Результаты исследований показывают, что первичная пористая структура гранулы, изготовленной на основе шлаков ТЭС, формируется при получении сырцовых гранул. Остальная часть поризации фиксируется при вспучивании их под воздействием высоких температур.
Плотность сырцовых гранул после процесса сушки составляет 1,62 г/см3. При высокотемпературной обработке наблюдается переход материала в пиропластическое состояние; деформация и максимальная усадка происходит в течение 3-4 минут. Результаты исследований процесса вспучивания и формирования пористой структуры в зависимости от продолжительности вспучивания представлены на рис. 4.
Начало газовыделения и снижение плотности отмечается после четвертой минуты. Интенсивное вспучивание и формирование пористой структуры происходит в течение 5-9 минут. Завершение процесса вспучивания фиксируется до 10 минут. Дальнейшее увеличение продолжительности вспучивания приводит к оплавлению поверхности гранул и повышению плотности заполнителя.
Результаты исследований прошли полупромышленные испытания на опытно-технологической линии НИПКИСМ им. С.А. Дадашева (г. Баку). Физико-механические показатели легкого заполнителя представлены в табл. 2.
Таблица 2. Физико-механические показатели легкого заполнителя, изготовленного на основе шлаков ТЭС
| № п/п | Свойства заполнителя, фракции 5-20 мм | Марка заполнителя по насыпной плотности | ||
|
200 300 |
400 500 |
600 700 |
||
| 1 | Плотность, г/см3 | 2,46 | 2,42 | 2,48 |
| 2 | Насыпная плотность, кг/м3 |
160 280 |
370 460 |
580 670 |
| 3 | Прочность при давлении в цилиндре, МПа |
0,3 1,2 |
2,0 3,3 |
4,2 5,6 |
| 4 | Водопоглощение, % по массе, за 1 час | 20 | 17 | 14 |
| 5 | Среднее значение коэффициента формы зерен гравия | 1 | 1 | 1 |
| 6 | Содержание в гравии расколотых зерен, % по массе | 5-8 | 3-5 | 2-4 |
| 7 | Морозостойкость, циклов не менее | 15 | 15 | 15 |
Результаты исследований показывают, что физико-механические показатели легкого заполнителя, полученного из шлаков ТЭС, отвечают требованиям ГОСТ 9757-90 «Гравий, щебень и песок искусственные пористые. Технические условия».
Таким образом, на основе результатов исследований и полупромышленных испытаний следует сделать вывод о том, что на основе шлаковых отходов ТЭС можно получить искусственный пористый заполнитель с высокими физико-механическими свойствами для легкого бетона. Иными словами, шлаки ТЭС пригодны для использования в качестве основного сырья для производства искусственного пористого заполнителя.
Библиографический список
1. Роговой М.И. Технология искусственных пористых заполнителей и керамики, – М.: Стройиздат, 1974, – 319 с.
2. Давидюк А.Н. Легкие бетоны на стеклогранулятах – будущее ограждающих конструкций // Бетон и железобетон, № 1, 2016, с. 2-4.
3. Мамедов Г.Н. Высокопрочные искусственные пористые заполнители, – Баку, 2000, – 222 с.
4. Мамедов Г.Н., Оруджев Ф.М. и др. Патент № 1828457.
