VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Важнейшим сырьевым резервом строительного комплекса являются многотоннажные вторичные продукты промышленности (ВПП), комплексное использование которых позволит формировать рациональные структуры в новых композиционных материалах в результате физико-химических взаимодействии.

На разных этапах решения проблемы рационального использования вторичного сырья в производстве строительных материалов ведущую роль занимала наука. На основе теоретических разработок и результатов исследований Ю.М. Баженова, А.В. Волженского, О.Л. Дворкина, Н.А. Рыбьева, П.Г. Комохова и других специалистов накоплен опыт и созданы технологии в строительной индустрии по вовлечению техногенного сырья с оптимальными материальными и энергетическими затратами.

Поскольку в основном технологическом процессе промышленные отходы проходят высокотемпературную обработку с образованием минералов, представляется возможным их фазовый и химический составы рассматривать в системе CaO – SiO₂ – Al₂O₃, а диаграмму этой системы использовать в качестве технической модели для определения оптимального состава основных оксидов разрабатываемого вяжущего материала на базе техногенного сырья [1,2]. Для решения задачи по проектированию оптимального состава композиционного безобжигового вяжущего в системе CaO – SiO₂ – Al₂O₃ принята некоторая значимая область, к границам который необходимо привести физико-химические характеристики сырьевых компонентов, которые наиболее близко отвечают его типичному составу и обобщены сходными признаками вяжущих веществ [3, 4,7].

На данном этапе, исходя из анализа научных разработок по поиску оптимальных структур безобжиговых вяжущих с улучшенными эксплуатационными свойствами, принимая во внимание существующую сырьевую базу техногенных отходов с определенным фазовым составом, учитывая их свойства и химический состав, нами была выдвинута гипотеза о возможности получения композиционного безобжигового вяжущего, проектируемого в системе CaO - SiO₂ - Al₂O₃ из отходов промышленности.

Анализ областей расположения промышленных отходов Жамбылского региона по отношению к областям расположения известных материалов (стекло, портландцемент, глиноземистый цемент и т.п.) с совпадением (или не совпадением) химического и минералогического состава в системе CaO – SiO₂ – Al₂O₃ позволяет определить, к границам какой группы материалов ближе находится исследуемый отход и, соответственно, в какую группу потенциально он может войти.

Для создания новых видов композиционных минеральных безобжиговых вяжущих предлагается вариант, когда значения находятся на границе множества свойств портландцемента (эталон).

Для практической реализации создания композиционного безобжигового вяжущего на основе трехкомпонентной системы CaO – SiO₂ – Al₂O₃, принятой за техническую модель (рисунок 1), необходимым условием является наличие в сырьевых компонентах оксидов CaO , SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃.

Рисунок 1 – Система CaO – SiO₂ – Al₂O₃ (диаграмма Ранкина)

Области расположения вторичных продуктов фосфорной промышленности Жамбылской области на диаграмме состояния CaO – SiO₂ – Al₂O₃ определяютсяпределами минимальных и максимальных значении.

По данным таблицы 3 сумма основных оксидов CaO , SiO₂, Al₂O₃ в сырьевых материалах приводится к 100%, и из полученного результата вычисляются доли каждого элемента отдельно. Результаты представлены в таблице 1.

При наложении граничных значений вторичных продуктов фосфорной промышленности Жамбылской области, согласно полученным значениям, (рисунок 2) на области минералов диаграммы Ранкина, уточненной по Э. Осборну, можно отметить, что зоны расположения химического и минералогического составов совпадают [5].

Таблица 1. Минимальные и максимальные значения содержания основных оксидов, приведенных к 100%, в техногенных отходов фосфорной промышленности Жамбылского региона

1. Гранулированный шлак НДФЗ
Основной оксид	Максимальное содержание, %	∑=89,01=100%	Минимальное содержание, %	∑=78,72=100%
CaO Al2O3 SiO2	37,67	42,33	34,12	43,35
	1,70	1,91	0,90	1,15
	44,19	49,65	38,70	49,17
Fe2O3	5,45	6,13	5,00	6,36
2. Доломит (вскрышные породы Каратау)
Основной оксид	Максимальное содержание, %	∑=34,03=100%	Минимальное содержание, %	∑=31,25=100%
CaO Al2O3 SiO2	30,20	88,75	28,10	89,92
	0,15	0,44	0,05	0,16
	0,17	0,50	0,09	0,29
Fe2O3	3,51	10,31	3,01	9,64
3. Известняк (вскрышные породы Каратау)
Основной оксид	Максимальное содержание, %	∑=48,51=100%	Минимальное содержание, %	∑=44,09=100%
CaO Al2O3 SiO2	44,20	91,12	41,00	93,00
	0,15	0,31	0,05	0,12
	1,17	2,40	0,70	1,59
Fe2O3	2,99	6,17	2,34	5,31
4. Литой шлак Химпрома
Основной оксид	Максимальное содержание, %	∑=89,71=100%	Минимальное содержание, %	∑=82,24=100%
CaO Al2O3 SiO2	41,70	46,49	38,00	46,21
	0,15	0,17	0,05	0,06
	43,10	48,05	40,10	48,76
Fe2O3	4,76	5,31	4,09	4,98
5. Фосфогипс (лежалый), з-д «Минеральных удобрений»
Основной оксид	Максимальное содержание, %	∑=43,99=100%	Минимальное содержание, %	∑=36,20=100%
CaO Al2O3 SiO2	27,32	62,11	24,23	66,94
	0,50	1,14	0,15	0,42
	15,16	34,47	11,42	31,55
Fe2O3	1,01	2,30	0,4	1,11

Продолжение таблицы 2

6. Фосфато-кремнистые сланцы, м-е «Коксу»
Основной оксид	Максимальное содержание, %	∑=82,40=100%	Минимальное содержание, %	∑=79,51=100%
CaO Al2O3 SiO2	5,90	7,16	5,01	6,31
	9,80	11,90	9,00	11,32
	61,60	74,76	60,90	76,59
Fe2O3	5,10	6,18	4,60	5,78
7. Фосфато-глинистые сланцы, м-е «Коксу»
Основной оксид	Максимальное содержание, %	∑=87,52=100%	Минимальное содержание, %	∑=85,62=100%
CaO Al2O3 SiO2	4,51	5,16	4,21	4,92
	3,75	4,28	3,31	3,86
	75,81	86,62	75,01	87,61
Fe2O3	3,45	3,94	3,09	3,61
8. Фосфатизированный доломит (плитчатый), м-е «Коксу»
Основной оксид	Максимальное содержание, %	∑=40,79=100%	Минимальное содержание, %	∑=36,98=100%
CaO Al2O3 SiO2	24,98	61,24	23,90	64,63
	1,89	4,63	1,10	2,97
	10,99	26,95	9,98	26,99
Fe2O3	2,93	7,18	2,00	5,41
9. Фосфатизированные кремни, м-е «Жанатас»
Основной оксид	Максимальное содержание, %	∑=87,46=100%	Минимальное содержание, %	∑=85,11=100%
CaO Al2O3 SiO2	5,79	6,62	4,91	5,77
	2,00	2,29	1,74	2,05
	76,89	87,91	76,12	89,44
Fe2O3	2,78	3,18	2,34	2,75

В данном случае можно поставить вопрос об активном воздействии приближения свойств промышленных отходов к свойствам конкретного материала, т.е. к множеству значений рекомендуемого свойства. Для этого на диаграмме тройной системы CaO – SiO₂ – Al₂O₃ помещаем составы промышленных отходов Жамбыского региона с необходимыми свойствами и за счет комплексного использования (смешивания) в математически обоснованных соотношениях приближаем количественный химический состав к центру множества значений рекомендуемых свойств конкретного материала.

Рисунок 2 - Диаграмма состояния системы CaO – SiO₂ – Al₂O₃

Таким образом, для создания нового эффективного материала, необходимо: содержание основных оксидов CaO, Al₂O₃, SiO₂ вторичных продуктов промышленности вычислить в массовых долях от 100 % и долевой химический состав привести к типичному составу основных оксидов конкретного строительного материала в системе CaO – SiO₂ – Al₂O₃.

Приведенные рассуждения позволяют предположить следующее. Если на диаграмме Ранкина в системе CaO – SiO₂ – Al₂O₃ (рисунок 2) принять некоторую значимую область (Д), к границам которой необходимо привести физико-химические характеристики сырьевых компонентов (А,Б,В,), наиболее близко отвечающие ее типичному составу и обобщенным характерным признакам, то можно получить новый композиционный строительный материал.

Наиболее значимой областью в системе CaO – SiO₂ – Al₂O₃ является область портландцемента (Д), который на сегодняшний день из всех вяжущих материалов обладает наилучшими физико-механическими и техническими характеристиками, но требует больших энергетических затрат при его производстве.

Основное условие – максимально приблизить химический состав и свойства области компонентов (А, Б, В) к химическому составу области портландцемента (Д) выполнялось методом расчета по программе Microsoft Office Excel (таблица 2).

Таблица 2 – Результаты расчета составов новых строительных композитов

Состав 1	Техногенные отходы Жамбылского региона			Эталон	Расчетные значения оксидов сырьевой смеси проектируемого вяжущего, приведен-ные к значениям эталона
Оксиды	Фосфато-глинистый сланец	Фосфо-гипс	Извест-няк	Портланд-цемент
CaO	5,18	64,56	91,62	67,52	67,52
Si2O	86,87	32,4	2,02	23,3	23,29
Al2O3	4,28	1,1	0,21	5,62	0,939
Fe2O3	3,67	1,94	6,15	3,56	3,56
долевые значения компонентов в вяжущем	0,0711	0,5049	0,3771	1	95,3≈100
Состав 2	Техногенные отходы Жамбылского региона			Эталон	Расчетные значения оксидов сырьевой смеси проектируемого вяжущего, приведен-ные к значениям эталона
Оксиды	Фосфато-кремнистый сланец	Фосфо-гипс	Извест-няк	Портланд-цемент
CaO	6,3	64,56	91,62	67,52	67,52
Si2O	76,27	32,4	2,02	23,3	23,29
Al2O3	11,45	1,1	0,21	5,618	1,392
Fe2O3	5,98	1,94	6,15	3,56	3,56
долевые значения компонентов в вяжущем	0,0623	0,5509	0,3444	1	95,8≈100
Состав 3	Техногенные отходы Жамбылского региона			Эталон	Расчетные значения оксидов сырьевой смеси проектируемого вяжущего, приведен-ные к значениям эталона
Оксиды	Гранулиро- ванный шлак	Фосфо-гипс	Извест-няк	Портланд-цемент
CaO	42,8	64,6	91,62	67,52	67,52
Si2O	49,5	23,3	32,4	23,3	23,29
Al2O3	1,6	1,1	0,3	5,618	1,392
Fe2O3	6,1	1,9	6,1	3,56	3,56
долевые значения компонентов в вяжущем	0,1077	0,3091	0,5356	1	95,2≈100

При расчете состава компонентов вяжущего принят во внимание тот фактор, что в процессах гидратации гидравлических вяжущих оксид железа (Fe₂O₃) оказывает положительное влияние. В высокотемпературной химии цемента при изучении физико-химических процессов в системе CaO – SiO₂ – Al₂O₃ показано, что новообразования C₂F, CF, происходящие на границе раздела СаО – Fe₂O₃, в конечном итоге оказывают активное влияние на структурообразование и свойства материала [5,6].

Системный подход при проектировании состава многокомпонентного минерального вяжущего (ММВ) позволил получить композиционный материал сложной структуры, состоящий из минеральных материалов с резко различными свойствами и приобретающий в результате их сочетания комплекс новых свойств, не присущих исходным материалам. В этом случае проявляется синергетический эффект (рисунок 3).

Рисунок 3 - Диаграмма состояния системы CaO – SiO₂ – Al₂O₃

Анализ расположения различных строительных материалов и сырьевых компонентов в системе CaO – SiO₂ – Al₂O₃, по химическому и минералогическому составу позволил определить, что исследуемые вторичные продукты промышленности ближе всего находятся к границе портландцемента.

Необходимо отметить, что предложенную методологию можно использовать не только для решения задач проектирования оптимального состава сырьевой смеси вяжущего, но и для других композиционных строительных материалов на основе комплексного подхода по использованию техногенных отходов различных промышленных регионов страны.

Использование диаграмм тройных систем для прогнозирования твердых фазовых образований в композициях с различным химическим и минералогическим составом позволил предложить использование базиса трехкомпонентной системы CaO – SiO₂ – Al₂O₃ в качестве технической модели для проектирования новых композитов строительных материалов.

Литература

1. Бондаренко Г.В., Каптюшина А.Г. Проектирование состава композиционного безобжигового вяжущего на базе техногенных отходов Череповецкого промышленного узла и исследование его технических характеристик // Химическая промышленность сегодня. – 2011. - №11. С. 37-41.

2. Huang Yun, Lin Zhongshou. A binder of phosphogypsum-ground granulated blast furnace slag-ordinary portland cement // J. Wuhan Univ. Technol. Mater. Sci. Ed. - 2011. - 26, № 3. - Р. 548-551.

3. Martinez-Aguilar O. A., Castro-Borges P., Escalante-Garcia J. I. Hydraulic binders of Fluorgypsums Portland cement and blast furnace slag, stability and mechanical properties // Constr. and Build. Mater. - 2010. - 24, № 5. - P. 631-639.

4. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности. -Ростов-на-Дону: Феникс, 2007. – 51с.

5. Пащенко А.А. Физическая химия силикатов. - М.: Высшая школа, 1986. – 303с.

6. Горшков В.С., Савельев В.Г., Федоров Н.Ф. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. - М.: Высшая школа, 1988. - 395с.

7. Сидоров В.И. Химия в строительстве. - М.: Ассоциация строительных вузов, 2007. -184с.

9

Код для цитирования: Скопировать