Расширение области применения минеральных шламов в производстве строительных материалов

Одним из направлений решения этой задачи являются расширение производства и применение в строительстве эффективных материалов и изделий на основе вторичных минеральных ресурсов. Это обусловлено широким распространением известковых, гипсосодержащих и карбонатных отходов и шламов, простотой их переработки, высокой эффективностью и технологичностью.

Однако широкое применение техногенных отходов сдерживается определённой нестабильностью и неоднородностью многих побочных продуктов промышленности, что, в свою очередь, может привести к снижению качества строительной продукции. На изменчивость свойств отходов промышленности оказывают влияние не только условия их образования, но также химико-минералогический состав, условия и длительность хранения в отвалах и шламонакопителях. Известно, например, что некоторые минеральные шламы способны к частичному самоотверждению вследствие протекания кристаллизационных процессов. Это приводит к изменению химической активности и дисперсности, ухудшающих потребительские свойства шламов.

Приоритет в использовании техногенных отходов в строительстве должен отдаваться таким материалам, которые обладают стабильным химическим составом и физическими свойствами, определяющими основные направления их применения. К этой группе могут быть отнесены крупнотоннажные, минеральные, гипсосодержащие шламы стекольного производства и карбонатные шламы химической подготовки воды предприятий энергетики. Условия нейтрализации кислых стоков на первых и строгое выдерживание технологических регламентов операций осветления воды и коагуляции осадка на вторых позволяет получать минеральные шламы с низкими показателями изменчивости химического состава и дисперсности. Основными компонентами гипсосодержащих шламов стекольной промышленности являются двуводный гипс, фторид кальция и некоторые растворимые соли натрия и калия. Состав карбонатных шламов предприятий энергетики представлен, главным образом, карбонатом кальция и окислами железа.

Одним из перспективных направлений использования тонкодисперсных шламов является применение их в качестве активаторов твердения и наполнителей в производстве цементных и композиционных строительных растворов.

Исследования механизмов действия гипсосодержащих и карбонатных шламов на процессы гидратации и твердения цементных композиций позволили разработать технологические регламенты применения шламов с целью получения технологичных и высококачественных строительных растворов. Более того, анализ механизмов действия шламов на различных уровнях формирования структуры цементных композиций и оптимизация составов позволяют в определённом смысле управлять процессами структурообразования и твердения цементных материалов с целью получения материалов с заданными физическими свойствами.

За последние 15 лет гипсосодержащий шлам стекольного производства широко применяется в строительных организациях г. Пензы и области. Только в период с 1996 по 2006 гг. на предприятии ОАО “Жилстрой” было использовано более 10 тыс. тонн гипсосодержащего шлама в производстве строительных и штукатурных растворов. Внедрение передовой технологии позволило отказаться от использования дорогостоящей извести, подготовка которой требовала больших экономических затрат и строгого соблюдения санитарно-гигиенических условий труда.

В результате применения шламов строительные предприятия не только получают высокие экономические эффекты за счёт низкой стоимости шлама, экономии цемента и повышения качества строительных растворов, но и способствуют значительному улучшению экологической обстановки вблизи предприятий стекольной промышленности и энергетических комплексов.

В настоящее время в строительных организациях г. Пензы интенсивно внедряется ресурсосберегающая технология применения карбонатного шлама в производстве штукатурных и кладочных растворов.

Количество ежегодно образующегося карбонатного шлама на теплогенерирующих предприятиях г. Пензы является достаточным для обеспечения практически всех строительных организаций, производящих цементные и композиционные растворы.

Исследования механизмов действия тонкодисперсных карбонатных наполнителей с применением методов тонкого химического и структурного анализов выявили основные аспекты карбонатной активации цементных систем. Это позволило определять оптимальные дозировки шлама с целью улучшения технологических свойств смесей и получения требуемой прочности строительных растворов при минимальном расходе вяжущего.

Опыты, проведённые на нескольких основных видах используемых в строительном производстве цементов, показали, что оптимальным количеством шлама является 10–15 % от массы вяжущего. В этом случае достигается повышение прочности цементных растворов на 20–25 %, что позволяет снижать расход вяжущего на 15–20 %.

Получены новые данные о влиянии карбонатных шламов на фазовый состав продуктов гидратации цементного камня. Установлено, что одним из основных механизмов действия является активация образования гидросиликатов кальция с различной структурой и степенью конденсации кремнекислородных мотивов, уплотняющих систему и способствующих повышению прочности. Получены экспериментальные данные о влиянии на прочность цементных композиций комплексных минеральных добавок на основе карбонатного шлама и кремнезёмсодержащих местных сырьевых материалов (опока, трепел и др.). Это позволит значительно расширить область применения таких материалов в производстве не только строительных материалов, но и сухих смесей.

Проводятся исследования возможности применения карбонатного шлама в смеси с пластифицирующими и воздухововлекающими добавками, а также с супер- и гиперпластификаторами.

С целью расширения масштабов применения карбонатных и гипсосодержащих шламов в строительстве разработаны технологические схемы подготовки карбонатных шламов к утилизации, технические условия и рекомендации по применению шламов в производстве строительных растворов.

Технологическая схема подготовки шламов не требует установки сложного оборудования. Основными операциями являются:

- отбор партий шлама из шламонакопителя;

- доставка шлама в бункеры для усреднения химического состава;

- механическое перемешивание или барботирование шламовой суспензии;

- очистка шламовой суспензии от мелких камней и инородных включений;

- доставка шлама на склад готовой продукции;

- отбор проб для проведения химического анализа.

На строительных предприятиях г. Пензы разработаны технологические схемы и оборудование для подготовки минеральных шламов и шламовых суспензий с целью использования их в производстве строительных растворов.

Добавка шлама должна вводиться в состав штукатурных или кладочных смесей в виде водного раствора заданной плотности на стадии приготовления суспензии из цемента и воды. Или в сухом виде в смеси с вяжущим в процессе приготовления сухой минеральной смеси.

При использовании нейтрализованных шламов в сухом состоянии необходимы дополнительные операции сушки и помола.

Положительным фактором при исследовании карбонатного шлама в сухом состоянии является то, что его состав практически не изменяется в отличие от гипсосодержащего, который при длительном хранении или сушке частично отверждается. В связи с этим гипсосодержащий шлам целесообразно использовать в пастообразном состоянии, в то время как карбонатный шлам может быть эффективно использован в виде сухого порошка.

Транспортировку шлама потребителям на небольшие расстояния необходимо осуществлять, поддерживая его в пастообразном состоянии. В этом случае добавку надо вводить в состав бетона на стадии приготовления водной суспензии вяжущего или с водой затворения. Назначение дозировки шлама при этом должно определяться в лабораторных условиях с учетом химико-минералогического состава цемента.

В настоящее время исследования проводятся с целью расширения области применения гипсосодержащих и карбонатных шламов в производстве композиционных вяжущих и отделочных материалов. Одним из наиболее перспективных направлений применения является получение гипсового вяжущего, а также производство гипсовых и гипсоцементных изделий и отделочных материалов.

Ещё с давних времён известна гипсоцементная штукатурка, способствующая очищению воздуха в помещениях и обладающая хорошими зоогигиеническими свойствами. Подобные свойства гипсовых материалов обусловлены особенностями поровой структуры гипса. При получении пластичного гипсового теста обычно требуется в 2,5–3 раза больше воды, чем для гидратации CaSO₄ 0,5H₂O. Остающаяся в массе гипсового камня химически несвязанная вода при испарении образует систему открытых пор между кристаллами гипса. Подобная структура накладывает значительные ограничения на область применения гипсовых изделий для наружной отделки зданий вследствие возможности увлажнения и снижения физико-механических свойств. Однако для внутренней отделки гипсовые материалы незаменимы.

В настоящее время на кафедре “Земельный и городской кадастры” Пензенского государственного университета архитектуры и строительства в рамках Федеральной программы “Доступное жильё для граждан России” и ряда муниципальных программ проводятся исследования по разработке технологических схем получения гипсового вяжущего на основе гипсосодержащего шлама стекольного производства. С целью изучения состава и свойств гипсового вяжущего проводятся исследования по оптимизации режимов обжига гипсосодержащего шлама и оценке влияния примесей. Известно, что при дегидратации гипса возникают внутренние напряжения и связанные с ними дислокации в кристаллических структурах, которые наследуются также продуктами низкотемпературного обжига. Дислокации, возникающие в процессе термообработки, а также примесные ионы определяют в последующем форму и размеры частиц продуктов гидратации, что оказывает существенное влияние на структуру и прочность гипсового камня. Разработаны композиционные вяжущие материалы с использованием гипсового вяжущего, цемента и кремнезёмсодержащих, активных минеральных добавок на основе местного сырья. Строительные материалы, изготовленные с применением таких вяжущих обладают повышенной водостойкостью и прочностью.

В современном строительстве жёсткие требования предъявляются к тепловой защите зданий и сооружений. Однако высокая стоимость импортных теплоизоляционных материалов, массово используемых в строительстве, приводит к значительному удорожанию стоимости жилья. Кроме того, токсикологические и зоогигиенические характеристики синтетических теплоизоляционных материалов в большинстве случаев не удовлетворяют требованиям безопасности.

Проблема повышения эффективности тепловой защиты зданий может быть успешно решена путём применения разработанных гипсовых и композиционных вяжущих на основе шламовых отходов и местного сырья для изготовления теплоизоляционных материалов. В качестве наполнителей в таких составах используются отходы деревообработки и другие органические компоненты. Разработан ряд эффективных и дешёвых теплоизоляционных материалов на основе гипсосодержащего и карбонатного шламов, цемента, опоки, трепела и органических наполнителей.

Органо-минеральные материалы применяются в строительном производстве для утепления перекрытий и покрытий жилых зданий. Они обладают низким коэффициентом теплопроводности (0,11–0,12 Вт/м С), высокими звукоизоляционными свойствами и экологической безопасностью. Материалы на основе гипсосодержащего шлама стекольного производства не подвержены загниванию вследствие присутствия в составе шлама фторида кальция. Низкая себестоимость, долговечность и доступность таких материалов открывает широкую возможность применения их в массовом многоэтажном и индивидуальном жилищном строительстве.

С использованием карбонатного шлама, диатомита и цемента получены композиционные материалы, работающие в условиях высоких температур (до 800 С). Подобные композиты могут быть успешно применены при устройстве теплоизоляционных покрытий и обмуровок теплогенерирующих установок и трубопроводов.

Разработаны составы сухих строительных смесей для производства высокотемпературных теплоизоляционных материалов.

Массовое вовлечение крупнотоннажных шламовых отходов различных отраслей промышленности в производство строительных материалов становится сегодня одной из важнейших задач строительного материаловедения. Решение этой проблемы позволит получать не только высокие экономические эффекты за счёт рационального использования цемента, но и имеет огромное природоохранное значение.

К сожалению, большое количество ценнейшего сырья сегодня остаётся не востребованным и находится на промышленных свалках и в шламонакопителях, занимающих значительные территории. Задача заключается в том, чтобы исследовать эти отходы, определить возможные пути их подготовки и, при необходимости, переработки с тем, чтобы при минимальном расходе вяжущих получать эффективные строительные и отделочные материалы. Это может быть достигнуто путём научно-обоснованного подхода к проблеме применения шламовых отходов в строительстве, исследования механизмов действия химически активных шламов и наполнителей на процессы гидратации и твердения цементных и композиционных материалов, в том числе с использованием нанотехнологий.

В стране сегодня накоплено достаточно минеральных ресурсов в виде различных отходов и шламов, чтобы при эффективном их использовании и рациональном расходе цементных, гипсовых и композиционных вяжущих получать высококачественные и дешёвые строительные и отделочные материалы.

О.В. Тараканов, зав. кафедрой “Земельный и городской кадастры”, декан факультета “Управление территориями”;

Т.В. Пронина, инженер,

ПГУАС

К 130-летию со дня рождения выдающегося строителя Н.Н. Лукницкого

Преподаватель Военно-инженерной академии с 1922 года. Главный инженер строительства ряда крупных мостов и активный участник строительства крупнейших гидроэлектростанций. Деятельность его была многообразна и многогранна. Это был человек кипучей энергии, который успел сделать многое...

Профессор, доктор технических наук, инженер, генерал-майор, член корреспондент Академии архитектуры Николай Николаевич ЛУКНИЦКИЙ (1876–1951 гг.) родился в 1876 году в Грузии в семье военного строителя. Потомственный инженер-строитель, талантливый ученый и педагог, Николай Николаевич прожил весьма наполненную яркую жизнь длиной в 75 лет. Из них 35 лет — это напряженная работа на стройках Отечества и 50 лет — научная и педагогическая деятельность, которая часто совмещалась с практической работой на производстве.

В период гражданской войны Николай Николаевич руководит строительством оборонительных сооружений и военных объектов Петрограда. Во время Великой Отечественной войны он становится организатором и научным руководителем Ленинградского института механизации строительства и главным консультантом строительства оборонительных сооружений в период блокады Ленинграда. С 1932 года Николай Николаевич возглавляет секцию строительных работ Ленинградского отделения НТО строителей в Ленинградском Доме ученых.

Как начальник кафедры и профессор ряда высших учебных заведений, в том числе ЛИИПСа — Института Промышленного Строительства, Н.Н. Лукницкий вел активную педагогическую работу, готовил кадры военных и гражданских инженеров-строителей, он автор многих научных трудов и изобретений, в том числе 9 фундаментальных трудов объемом более 200 п. л.

Деятельность профессора была неразрывно связана с ЛИГИ — Ленинградским Институтом Гражданских Инженеров (который потом был переименован в ЛИСИ), где Николай Николаевич работал с февраля 1928 по 1929 год. Да и после он не порывал своих связей с институтом, со своими коллегами — заведующими кафедрами профессорами Арнольдом, Гевирцем. Занимаясь преподавательской деятельностью, будучи профессором курса, Николай Николаевич Лукницкий обобщил свой богатый опыт в строительстве и подготовил учебник “Организация строительных работ” в 2-х частях [см. Лукницкий Н.Н. Организация строительных работ. – Л.: Кубуч, 1927, переизд. 1930, 1933].

Как автор первой в стране опытно-нормативной станции на Волховстрое, он впервые разработал методику нормирования труда и составления смет. Затем эти методики использовались на других гидротехнических стройках и явились нормативной базой СНиП, которые до сих пор не утратили своей значимости. В архиве СПбГАСУ (ранее ЛИСИ) в личном деле профессора Лукницкого имеются благодарности за его дар научных трудов в фундаментальную библиотеку института. В том числе, это труды опытно-нормативной станции Волховстроя, выполненные при его личном руководстве и участии, имеющие большую историческую и научную ценность.

По книгам и учебникам этого выдающегося деятеля училось несколько поколений инженеров-строителей. В том, что его труды не потеряли значимости и ценности в наше время, можно убедиться, если проанализировать, например, его учебники: “Производство бетонных и железобетонных работ” [см. Лукницкий Н.Н. Производство бетонных и железобетонных работ. – М.-Л.: Военмориздат, 1944] и “Железобетонные работы” [см. Лукницкий Н.Н. Железобетонные работы. – М.: Стройиздат, 1948], где в разделе 1 “Подготовка производства и строительных материалов для бетонных работ” подробнейшим образом излагаются сведения о строительных материалах для бетонных работ, уделяется особое внимание подготовке заполнителей: дробление, грохочение, промывка, сортировка. Эти операции сейчас не выполняются. Кто и где сейчас видел на стройке промывку песка? A ведь это отражается на качестве бетона очень существенно.

В учебниках излагаются технологические схемы процессов обогащения материалов, промывочно-сортировочные установки, приводятся схемы изготовления искусственного песка путем дробления щебня. Даются практичные и простые методы испытания материалов в полевых условиях, излагается ускоренная методика расчетов прочности бетона. Многие полезные рекомендации уже забыты и не используются.

Или рассмотрим раздел “Приготовление бетона” — подбор состава бетона. Приведенные диаграммы и номограммы очень удобны в практическом использовании, имеются конкретные примеры расчетов, что сейчас полезно было бы реализовать в компьютерном виде. Методика подбора четкая, ясная и понятная. Она не устарела и сейчас. А написано так, что работать по рекомендациям может и индивидуальный застройщик: строить загородный дом, качественно выполнять бетонные работы.

Не потерял актуальности и такой раздел, как “Подготовка и укладка бетона. Режимы вибрации”. Встречаются забытые виды строительного оборудования: вибролопата, электромагнитный вибратор с изменяющейся частотой колебаний и другие различные строительные машины и технологии, которые сегодня вполне актуальны. Например, предварительное напряжение бетона при изготовлении свай, напорных резервуаров, торкретирование, подводное бетонирование методом ВПТ (вертикально перемещаемой трубы) и методом “восходящего потока”. Интересен опыт вакуумирования сводов-оболочек передвижными вакуум-установками с одновременным выполнением свода как сверху, так и снизу. Многое было внедрено уже тогда. В наше время появились новые строительные материалы и машины, большой прогресс имеется в бетоноведении, применении различных добавок в бетонных смесях, а технологии, приемы и способы строительных работ остались во многом прежними, с тех пор мы не продвинулись далеко вперед в этой части как в практическом, так и в теоретическом плане.

Возьмем, например, производство бетонных работ в зимнее время. Этот раздел почти без изменений повторяется во всех учебниках в своем прежнем виде: “метод термоса”, формула Скрамтаева, паропрогрев, электропрогрев, электрообогрев бетона и т.д. Все это известно давно и давно входит в современную учебную программу. Но у Николая Николаевича это изложено лучше, методически более стройно, логически последовательно. Вопросы рассматриваются комплексно: строительные материалы, технология, механизация, организация работ, контроль качества. Т.е. он, по существу, заложил основы современных строительных систем.

То же самое можно сказать по опалубочным и арматурным работам, где у Николая Николаевича всё логически взаимосвязано и выверено. При этом можно отметить, что расчет прочности опалубок у него изложен более полно, нежели в современных пособиях. Приводятся приспособления, оборудование, даются практические рекомендации по механизации бетонных работ, которые не утратили практической ценности в настоящее время. Например, представляют интерес схемы бетонных работ, мобильных бетонных заводов и транспортирование бетонной смеси бетононасосами, опыт их применения в г. Грозном в 1940 году. Приведены оригинальные диаграммы подбора компонентов, параметров смесей.

Книга “Железобетонные работы” [см. Лукницкий Н.Н. “Железобетонные работы” – М.: Стройиздат, 1948] написана блестяще в методическом отношении. Материал имеет логическую стройность и комплексность изложения. Рассматриваются в комплексе строительные материалы, механизации процессов, технологии и организация работ. Приведены конкретные примеры построения графиков (циклограмм) поточного метода возведения 3-этажного каркасного здания в 2 и 3 смены. Срок выполнения в первом случае составил 72 дня, во втором — 12 дней, т.е. в 6 раз быстрее, благодаря поточной организации работ в три смены и прогреву бетона.

Сопоставляя книги профессора Лукницкого по тематике бетонных работ с существующими пособиями, следует отметить неоспоримые достоинства практических руководств Николая Николаевича по организации строительства объектов. В “Руководстве работами” он пишет: “Руководителя производством можно уподобить военоначальнику на поле битвы, который в случае осложнений должен принимать ответственно, твердо и решительно меры к их преодолению”.

Труды профессора Н.Н. Лукницкого послужили импульсом для написания диссертаций рядом его последователей и учеников, в их числе профессор В.М. Васильев, который написал работу “Насосный транспорт бетонной смеси при строительстве морских гидротехнических сооружений”, профессор В.Н Евстифеев, защитивший докторскую диссертацию по трубопроводному транспорту бетонной смеси. Выпускник спецфакультета ЛИСИ профессор Н.В. Новицкий (ЦНИИОМТП) защитил докторскую диссертацию на идее, высказанной Николаем Николаевичом, о подогреве инертных заполнителей, песка, воды при бетонировании в зимних условия. Это предложение внедрено в практику строительства в условиях Севера. Среди его учеников известные имена: М.И. Дворкин (“Применение струнобетона для возведения фортсооружений”), В.Д. Хохлов (“Применение адсорбирующей опалубки для бетонирования”), А.И. Парадня (“Докторская диссертация. Мостостроение”). Его многочисленные ученики продолжают славные традиции в области науки и практики строительства, а идеи и фундаментальные труды профессора живут, действуют и продолжают приносить пользу Отечеству, помогают осуществлять полноценную подготовку высококвалифицированных инженеров-строителей. В этом и состоит значительный вклад в технологию и организацию строительных работ Н.Н. Лукницкого, имя которого вписано в историю строительного искусства.

Основные труды по производству бетонных работ:
1. Лукницкий Н.Н. Железобетонные работы. М., Стройиздат, 1948 г., 352 с.
2. Лукницкий Н.Н. Организация строительных работ. Л., изд. Кубуч, 1927, переизд.1930, 1933 г.г., 463 с.
3. Лукницкий Н.Н. Механизация строительных работ. Л.-М., ОНТИ, 1936 г., 383 с.
4. Лукницкий Н.Н. Производство бетонных и железобетонных работ. М.-Л.,Военмориздат, 1944 г., 272 с.
5. Лукницкий Н.Н. Производство некоторых видов портовых строительных работ. М., Стройвоенмориздат, 1948 г., 287 с.
6. Лукницкий Н.Н. Учет и отчетность на строительных работах. Петроград, изд. П.П.Сойкина, 1923 г., 83 с.

Г.М. Бадьин, д. т. н., профессор СПбГАСУ