Стройматериалы из золошлаковых отходов

Проблема утилизации и переработки таких вторичных отходов, как золы ТЭС, является весьма актуальной для ряда российских регионов. В таких регионах золоотвалы занимают большие площади, загрязняя окружающую среду. Золошлаковые отходы являются ценным источником минерального сырья благодаря содержанию в них оксидов кремния, алюминия, кальция, железа, магния, натрия, калия.

В 1996 году Указом Президента РФ утвержден план перехода Российской Федерации к стабильному развитию и приняты целевая программа «Отходы», Федеральный закон «Об отходах производства и потребления», Федеральный закон «О государственной экологической экспертизе». Вместе с тем загрязнение окружающей среды продолжает оставаться одной из важных проблем нашей страны:

- на свалках, золоотвалах и в хранилищах скопились миллиарды тонн отходов, из которых более 5% токсичные;

- ежегодно для складирования твердых вторичных продуктов промышленных заводов выделяется более 2 тыс. га земельных площадей, пригодных для нужд сельского хозяйства и необходимых для развития жилищного строительства;

- из 1037 городов только 19% имеют благополучную или удовлетворительную экологическую обстановку:

- по разным источникам утилизируется только от 5 до 10% общего объема промышленных отходов.

В январе 2008 года при рассмотрении этой проблемы на заседании Совета безопасности РФ по вопросам экологии Президент РФ Д.А. Медведев предложил создать в стране новую отрасль индустрии – отходоперерабатывающую. Актуальность этого предложения очевидна не только с позиций решения экологической проблемы, но и также:

- с позиции обеспечения сырьевыми минеральными продуктами строительных предприятий, которые употребляет до 60% добываемых ресурсов и на которые в структуре грузоперевозок приходится не менее 25%; следует учитывать, что износ активной части основных фондов горных предприятий страны составляет 70%, а в производстве нерудных строительных материалов он еще выше; кроме того, во всем мире наблюдается прогрессирующий рост цен на природную минеральную продукцию, например, по данным Росстата, цены на щебень из плотных горных пород, выросли за период с 2006 по 2011 год почти на 100%; наконец, известно, что запасы природных ресурсов не беспредельны и многие из них находятся на грани истощения;

- с позиции необходимости сбережения энергетических ресурсов, что заставляет вести поиск аналогов традиционных строительных материалов (таких, например, как портландцемент), но существенно менее энергоемких, основой которых являются низкоэнергоемкие продукты переработки ВПП;

- с позиции решения задачи освобождения огромных земельных площадей, занятых отвалами (особенно это относится к накопленным отвалам золошлаков ТЭС и ГРЭС), объем которых составляет почти 2 млрд т, из-за чего ситуация в энергетике приближается к критической, то есть если не начать интенсивную разработку отвалов одновременно с полной переработкой и утилизацией золошлаков текущего выхода, то по оценкам специалистов-энергетиков многие ТЭС и ГРЭС придется закрывать максимум через 5-10 лет.

Осуществляются крупномасштабные мероприятия по применению зол и шлаков в строительстве, которые обеспечиваются результатами многочисленных исследований, технико-экономическими разработками, проектными материалами, технологическими указаниями, нормативами по оценке свойств зол и шлаков и пригодности для использования в различных случаях строительства. Разработаны ГОСТы и технические условия на многие материалы и изделия из зол и шлаков.

Основная тема данной заметки – разработка водостойкого строительного материала с высокопрочностными характеристиками на основе золы и жидкостекольного вяжущего. При разработке использовалось натриевое жидкое стекло с силикатным модулем 3,0. В качестве кальцийсодержащей добавки выбран гидроксид кальция (Сa(OH)₂) и заполнитель зола ГРЭС (город Северск). Выбор кальцийсодержащей добавки обусловлен тем, что образцы композиционных материалов, полученные на основе жидкого стекла показали наибольшую прочность по сравнению с аналогичными образцами на основе жидкого стекла с добавкой гидроксида кальция.

На основе разработанного жидкостекольного вяжущего и заполнителя (зола) получен композиционный материал. Образцы для испытаний размером 25x25x25 мм формовали в пресс-форме при удельном давлении 15 МПа кроме образцов на основе песчаных заполнителей, которые формовали при удельном давлении 15 МПа. После предварительного твердения при температуре 25 °С в течение 28 часов образцы подвергали сушке в течение 3 ч при температуре 200 °С.

Компонентный состав композиционных материалов на основе предлагаемого вяжущего, а также экспериментальные данные физико-механических свойств полученных образцов приведены ниже.

Сырьевая смесь на основе жидкого стекла и гидроксида кальция твердеет по объему, что позволяет изготавливать на ее основе широкий спектр строительных материалов. Благодаря относительно высокой скорости схватывания и набора прочности изделия можно подвергать сушке уже через сутки после формования.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

- при использовании в качестве добавки к жидкому стеклу комбинации гидроксида кальция получено вяжущее, обладающее способностью к объемному твердению и хорошими адгезионно-когезионными характеристиками:

- оптимальные составы сырьевой смеси для получения водостойкого и объемно-твердеющего вяжущего содержат в качестве компонентов: жидкое стекло – 33,1 масc. %, гидроксид кальция – 0,7 масc. %, зола - 66,2 маcс. %.

- сушка изделий при максимальной температуре до 200 °С приводит к улучшению структуры вяжущего за счет практически полного удаления свободной воды, а также дегидратации кремнегеля, приводящей к образованию водонерастворимого ксерогеля.