Сухая строительная смесь
Изобретение относится к производству строительных материалов, а именно к изготовлению сухих строительных смесей с использованием в качестве наполнителя золы, в частности золы от сжигания отходов очистки сточных вод. Технический результат: повышение эффективности нейтрализации вредных веществ при утилизации золы и повышение качества строительных материалов за счет использования золы в сухих строительных смесях. Сухая строительная смесь содержит, масс.%: зола 50-85, порошок магнезитовый каустический 10-30, природный минерал шунгит III разновидности 0,1-10, модифицирующие добавки 0,1-1,5, строительный песок остальное. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к производству строительных материалов, а именно к способам изготовления сухих строительных смесей с использованием в качестве наполнителя золы от сжигания отходов очистки сточных вод. Изобретение позволяет создавать дешевые сухие строительные смеси, заменяющие цементные и гипсовые строительные материалы, с одновременной утилизацией токсичных и радиационно-опасных отходов, которые остаются после очистки сточных вод.
В настоящее время конечным продуктом многостадийной переработки городских сточных вод на объектах городского водоканала является зола, которая образуется при сжигании на специализированном заводе отходов очистки сточных вод. Ежегодный объем произведенной золы только одного завода составляет несколько десятков тысяч тонн.
В составе золы находятся вещества, отнесенные к I-III классу опасности по ГОСТ 12.1.007-76. Среди них свинец, ртуть, мышьяк, кадмий, кобальт и др, минеральный остаток в золе составляет около 80%. Эффективная удельная активность природных радионуклидов (Аэфф.) в золе составляет 230-500 Бк/кг в расчете на сухую массу золы. В пробах золы обнаружено присутствие гамма-излучающих техногенных радионуклидов. Удельная активность 137Cs в отдельных пробах золы достигает 30-40 Бк/кг; в некоторых пробах обнаружено присутствие 60Со и 59Fe на уровне первых единиц Бк/кг.
Зола в настоящее время утилизируется на специальном полигоне, требующем дополнительных средств защиты, потребность в расширении подобных полигонов постоянно растет.
Известны другие способы утилизации золы. Например, в патенте РФ на изобретение №2037476 от 20.11.1991 г. (прототип) предложен способ использования сланцевой золы-уноса в качестве вяжущего компонента в строительных блоках, которые можно применять для массового индустриального строительства. Сланцевая зола-унос образуется при сжигании горючих сланцев в шахтно-мельничных топках электростанций и улавливается в циклонах и электрофильтрах. Эту золу, обладающую вяжущими свойствами, затем смешивают с заполнителями в виде песка или различных строительных отходов, например, каменноугольного шлака, формовочной земли литейного цеха, боя кирпича и т.п. Полученной смесью заполняют металлические формы, в результате получаются строительные брикеты, подобные традиционным бетонным.
Однако для изготовления бетона по этому способу требуется пропарка бетонной смеси в прочных металлических формах при повышенном давлении и температуре 90-95°С с выдержкой 24 часа, что приводит к усложнению технологического процесса и удорожанию готовых изделий. При этом бетон получается с высокой пористостью и прочностью готовых изделий всего 7-16 МПа, что существенно ограничивает его область применения.
Зола от сжигания осадков сточных вод, в отличие от золы, указанной в прототипе, содержит значительно большее количество вредных, в том числе радиоактивных веществ. Кроме того, она не обладает вяжущими свойствами, поэтому в строительных блоках может быть использована только в качестве наполнителя. Добавление такой золы в бетон на основе вяжущего - портландцемента позволяет лишь частично снизить токсичность вредных компонентов. Не решается также вопрос прочности, трещиностойкости и пылеобразования готовых изделий для применения в качестве строительных материалов жилых и общественных зданий. Кроме того, бетон на портландцементе с наполнителем в виде золы, получаемой при сжигании отходов очистки сточных вод, не снижает активность радионуклидов до санитарных норм.
Для материалов, используемых в строящихся и реконструируемых жилых и общественных зданиях, эффективная удельная активность природных радионуклидов должна быть: Аэфф.≤370 Бк/кг. Как указано выше, в золе от сжигания отходов очистки сточных вод этот показатель значительно выше, а кроме радионуклидов в золе много и других опасных и вредных веществ.
Задача предлагаемого решения - повышение эффективности нейтрализации вредных веществ при утилизации золы и повышение качества строительных материалов за счет использования золы в сухих строительных смесях со специально подобранными компонентами.
Для решения поставленной задачи в сухую строительную смесь, содержащую золу и строительный песок, дополнительно введены природный минерал шунгит, порошок магнезитовый каустический и модифицирующие добавки, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
| Зола | 50-85 |
| Порошок магнезитовый каустический | 10-30 |
| Природный минерал шунгит | 0,1-10 |
| Модифицирующие добавки | 0,1-1,5 |
| Строительный песок | остальное |
В качестве золы может быть использована зола от сжигания отходов очистки сточных вод, зола теплоэлектростанций и металлургический шлак. Зола в предлагаемой смеси является наполнителем.
Порошок магнезитовый каустический марки ПМК-87 использован в предлагаемой смеси в качестве вяжущего компонента, он содержит массовую долю активного оксида магния от 0,75 до 0,95. (ГОСТ 1216-87). Порошок магнезитовый каустический получают в результате улавливания пыли, образующейся при производстве спеченного периклазового порошка, в предлагаемой смеси может быть использован порошок магнезитовый каустический марок ПМК-87, ПМК-83 или ПМК-75.
В качестве адсорбента в предлагаемой смеси использован шунгит III разновидности Зажогинского месторождения, который состоит из 30% шунгитового углерода и 68% силикатов и представляет собой наноструктурированный природный композит. Одно из специфических свойств такой породы - способность к сорбции многих веществ, как органических - нефтепродуктов, бензола, фенола, пестицидов, так и минеральных - железо, марганец, фосфор, мышьяк и др. (Калинин Ю.К. Шунгиты и безопасность жизнедеятельности человека. Материалы первой Всероссийской научно-практической конференции. Петрозаводск, 2007).
Модифицирующими добавками могут служить регуляторы схватывания и твердения, водововлекающие, пластифицирующие, уплотняющие и повышающие адгезию вещества.
Затворителем в предлагаемой смеси может служить раствор бишофита.
В качестве наполнителя зола может быть дополнена баритовым концентратом или отсевом щебня гранитного (доломитового, мраморного и т.п.).
Предлагаемый состав компонентов сухой строительной смеси обеспечивает связывание и нейтрализацию органических, минеральных и радиоактивных веществ, имеющихся в золе, в том числе, в золе от сжигания отходов сточных вод. Кроме того, этот состав за счет взаимодействия входящих в него ингредиентов обеспечивает получение строительных материалов высокого качества.
Технология изготовления сухой строительной смеси включает следующие операции: подготовка, дозирование и перемешивание в механическом смесителе золы, порошка магнезитового каустического, шунгита и модифицирующих добавок с последующей расфасовкой в бумажные мешки по 20-25 кг. Изготавливаются смеси в заводских условиях (в месте образования золы) или на полигоне. Готовые сухие смеси доставляются на объекты строительства в сухом виде и смешиваются в определенной пропорции непосредственно перед использованием с природным бишофитом - солевым раствором хлористого магния MgCl2 плотностью 1,1-1,25 кг/л. Растворная смесь кристаллизуется и постепенно переходит в конечную устойчивую фазу - магнезиальный камень спутанно-волокнистой структуры.
Отвержденные указанным способом изделия из золомагнезиально-шунгитовой композиции (ЗМШ) не выделяют вредных веществ в водную и воздушную среду в количествах, превышающих ПДК и ОДУ, и соответствуют требованиям санитарных правил и норм.
При расчетном соотношении компонентов изделия из ЗМШ гарантированно соответствуют требованиям НРБ-99 по содержанию природных радионуклидов, установленным для строительных материалов I класса с Аэфф.≤370 Бк/кг (производство, хранение, транспортирование и использование) без ограничений по радиационному фактору.
Прочность на сжатие ЗМШ в готовых изделиях при заданной пропорции основных ингредиентов (Таблица 1) составляет около 20 МПа, что позволяет широко применять этот материал в строительстве объектов муниципального жилищного фонда, складских, производственных, зрелищных, спортивных, бытовых, административных и других помещений. Прочность предлагаемого соединения обусловлена его текстурой, отличающейся взаимным прорастанием спиралевидных трубчатых нитевидных агрегатов.
Предлагаемый строительный материал может быть применен в виде стяжек пола, стеновых блоков, перегородок и других изделий.
Изготовленные по изобретению стяжки пола и стеновые блоки по данным проведенных испытаний имеют объемную массу 1800-1900 кг/м3.
Технология получения предложенной сухой строительной смеси иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
Составляют смесь, состоящую из следующих компонентов, масс.%:
| Зола | 85 |
| Порошок магнезитовый каустический | 10 |
| Модифицирующие добавки | 0,1 |
| Природный минерал шунгит | 0,1 |
| Строительный песок | остальное |
Данный состав наиболее экономичен, имеет минимальную прочность (1-2 МПа), но позволяет изготовить крупногабаритные блоки и предотвратить пыление золы при утилизации на полигоне ТБО.
Пример 2
Составляют смесь, состоящую из следующих компонентов, масс.%:
| Зола | 50 |
| Порошок магнезитовый каустический | 20 |
| Природный минерал шунгит | 10 |
| Модифицирующие добавки | 0,5 |
| Строительный песок | остальное |
Данный состав имеет максимальную прочность (18-22 МПа) и соответствует санитарным правилам и нормам для применения в строительстве без ограничения по радиационному фактору. Смесь хорошо формуется и пригодна для изготовления, например, стеновых блоков для внутренних перегородок.
Пример 3
Составляют смесь, состоящую из следующих компонентов, масс.%:
| Зола | 65 |
| Порошок магнезитовый каустический | 25 |
| Природный минерал шунгит | 8,0 |
| Модифицирующие добавки | 1,0 |
| Строительный песок | остальное |
Данный состав имеет прочность (15-20 МПа), достаточную для изготовления стяжек под укладку напольных покрытий, связывает максимальное количество золы и соответствует санитарным правилам и нормам для применения в строительстве без ограничения по радиационному фактору. При составлении данной смеси должен проводиться дозиметрический контроль золы каждой партии.
После дозирования компоненты в сухом виде перемешивают в смесителе и расфасовывают по бумажным мешкам емкостью 20-25 кг. Готовую смесь уже на стройке смешивают с солевым раствором бишофита плотностью 1,2 кг/л.
В состав сухой строительной смеси может входить баритовый концентрат или отсев щебня гранитного (доломитового, мраморного и т.п.) в качестве дополнения или замены части золы.
Таким образом, в предлагаемом изобретении решена задача создания сухих строительных смесей, которые связывают и обезвреживают вредные отходы и обладают оптимальными строительными характеристиками. Одновременно решается задача утилизации отходов. К вышеназванным характеристикам относятся: высокая прочность, быстрый темп твердения, отсутствие пор, трещиностойкость, хорошая адгезия к бетонным основаниям, негорючесть, отсутствие вредных выделений в воздух помещений и в воду. Смесь укладывается на бетонное основание, выравнивается и заглаживается до окончания твердения. Через 7-10 суток после укладки производится настил чистовых полов (линолеум, паркет, ламинат, плитка, и т.п.) или покрытие полимерным составом.
В таблице приведены усредненные результаты прочностных испытаний предлагаемой смеси ЗМШ для различных соотношений вяжущее/зола через 28 суток.
| Таблица | ||
| №№ п/п | Соотношение основных компонентов вяжущее/зола | Прочность на сжатие/изгиб, через 28 суток, МПа |
| 1 | 1/2 | 25/8 |
| 2 | 1/3 | 15/5 |
| 3 | 1/4 | 10/3 |
| 4 | 1/5 | 5/1 |
| 5 | 1/10 | 1/- |
Как видно из таблицы, для строительных целей пригодны составы №№1, 2, а для связывания золы перед утилизацией - №№3-5.
Неоспоримым преимуществом перед обычными строительными материалами на портландцементе является превращение опасных отходов в экологически чистый строительный материал.
1. Сухая строительная смесь, содержащая золу и строительный песок, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит порошок магнезитовый каустический, природный минерал шунгит III разновидности и модифицирующую добавку при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| зола | 50-85 |
| порошок магнезитовый каустический | 10-30 |
| природный минерал шунгит | 0,1-10 |
| модифицирующая добавка | 0,1-1.5 |
| строительный песок | остальное |
2. Сухая строительная смесь по п.1, отличающаяся тем, что в ней использована зола от сжигания отходов очистки сточных вод.
3. Сухая строительная смесь по п.1, отличающаяся тем, что в ней использована зола теплоэлектростанций.
4. Сухая строительная смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве золы использован металлургический шлак.
5. Сухая строительная смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя использован баритовый концентрат.
6. Сухая строительная смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя использован отсев щебня гранитного (доломитового, мраморного и т.п.).
