автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Ячеистые бетоны на основе отходов витаминного производства

Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов

На правах рукописи

ПОГОРЕЛОВ Сергей Алексеевич

ЯЧЕИСТЫЕ БЕТОНЫ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ВИТАМИННОГО ПРОИЗВОДСТВА

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители доктор технических наук, профессор

-Лесовик B.C. кандидат технических наук, доцент Гладков Д.И.

........^¿г^?

Белгород - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ:.................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.................................. 10

1.1. Оценка способов получения материалов ячеистой структуры.. . 10

1.2. Использование гипсосодержащих отходов промышленности

для производства гипсовых вяжущих материалов............ 22

1.3. Выводы................................................ 32

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...............................34

2.1. Характеристика гипсовых материалов и добавок, применяемых для регулирования их свойств................. 34

2.2. Образование и характеристика витаминного гипса, а также материалов, применяемых при его производстве............. 37

2.3. Методы исследований....................................46

2.4. Выводы................................................ 50

3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЯЧЕИСТО-БЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ ГИПСОВЫХ ВЯЖУЩИХ............................................... 51

3.1. Теоретические основы процесса вакуумирования смеси "полуводный гипс-вода".................................. 51

3.2. Влияние технологических факторов на процесс получения материала ячеистой структуры............................ 62

3.3. Изучение свойств ячеистобетонных изделий................. 67

3.4. Проектирование технологии получения ячеистобетонных блоков на основе гипсовых и ГЦП вяжущих................. 70

3.5. Выводы................................................ 74

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ГИПСОВОГО ВЯЖУЩЕГО ИЗ ВИТАМИННОГО ГИПСА............ 75

4.1. Исследование способов очистки сернокислотных стоков

от органических примесей................................. 75

4.2. Нейтрализация стоков карбидным илом.................... 84

4.3. Исследование способов дегидратации витаминного гипса

и изучение его свойств....................................86

4.4. Исследование возможности повышения водостойкости материалов на основе витаминного гипса................... 101

4.5. Выводы................................................ 110

5. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В

ПРОИЗВОДСТВО.......................................... 112

5.1. Выпуск ячеистобетонных блоков на гипсовых и ГЦП

вяжущих................................................ 112

5.2. Получение быстротвердеющих вяжущих из отходов витаминного производства................................ 120

5.3. Оценка экономической эффективности изготовления газогипсовых блоков по вакуумной технологии и получения быстротвердеющих вяжущих из отходов витаминного производства........................................... 120

5.4. Выводы................................................ 122

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ........................................... 124

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................. 127

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................. 142

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Одной из основных задач строительной индустрии является повышение эффективности капитальных вложений. В строительстве ее можно решить за счет снижения материалоемкости конструкций, стоимости и трудоемкости строительства, массы зданий и сооружений, повышения качества строительства.

Один из путей решения этой задачи - дальнейшее развитие и более широкое применение эффективных ограждающих конструкций, так как их удельный вес составляет около 15...20% стоимости общестроительных работ. Для изготовления ограждающих конструкций все шире применяются новые эффективные материалы, позволяющие повысить степень индустриализации строительства и снизить его материалоемкость и стоимость. Одним из таких материалов является ячеистый бетон на различных видах вяжущего. Конструкции из ячеистого бетона отличаются высокой эффективностью, так масса 1 м2 стены жилого дома из ячеистого бетона средней плотностью 700 кг/м3 в 1,7 раза меньше, чем из керамзитового и в 6,6 раза меньше, чем из красного глиняного кирпича при одинаковом термическом сопротивлении стен. Приведенные затраты на 1 м2 ячеистобетонных панельных стен на 15...20% ниже, чем на керамзитобетонные.

Снижение стоимости ячеистобетонных изделий достигается использованием в качестве вяжущего гипсовых материалов. Преимуществом их при этом является возможность организовать литьевую технологию, исключить энергоемкий и сравнительно длительный процесс автоклавной обработки или пропарки. Изделия на основе гипсовых вяжущих имеют хороший внешний вид, малую теплопроводность, высокую огнестойкость и т.д. Важным фактором при разработке новых технологий и составов ячеистобетонных изделий на гипсовых вяжущих является уменьшение многоком-понентности сырьевой смеси, применение недорогих и доступных пено- и газообразующих добавок, а по возможности и их полное исключение.

В настоящее время потребность промышленности в гипсе практически полностью покрывается за счет разработки месторождений природного

гипсового камня. Вместе с тем в стране скопилось более 100 млн. т гипсо-содержащих отходов только в виде фосфогипса [1, 2]. Кроме того, ежегодно выбрасывается в отвалы еще около 20 млн. т гипсосодержащих отходов. На транспортировку и хранение их затрачиваются огромные средства. Капитальные вложения на соответствующие сооружения составляют 20...25% общей стоимости строительства химических заводов, а эксплуатационные расходы 10... 15% стоимости основного производства [3]. Кроме того, для хранения отходов нужны большие площади, а сами они загрязняют окружающую среду.

Поэтому переработка гипсосодержащих отходов на гипсовое вяжущее является одной из наиболее актуальных задач их утилизации. Разработка экономичных способов переработки отходов на вяжущее позволяет отказаться от дорогостоящей добычи гипсового камня, с одной стороны и решить экологическую проблему - с другой.

Таким образом, необходимо срочно решать проблемы широкого использования гипсосодержащих отходов производства и получать на их основе эффективные легкие изделия для местного строительства и заменять ими, там где это возможно, дефицитные цемент и кирпич.

Последняя проблема в настоящее время ставится особо остро, так как на многих предприятиях снизились объемы выпуска продукции, имеет место увеличение цены, а иногда и отсутствие энергоносителей.

Белгородская область не имеет запасов гипсового камня и заводов по производству гипсовых вяжущих и изделий. Поэтому ежегодно в регион из других областей страны (Курской, Орловской и др.) завозится более 5 тыс. тонн гипсового вяжущего и более 200 тыс. т гипсового камня для цементной промышленности.

Вместе с тем в г. Белгороде завод по производству лимонной кислоты и АО "Белвитамины" ежегодно выбрасывают в отвалы около 4,5 тыс. т цит-рогипса и 2,5 тыс. т витаминного гипса. Большие запасы этих отходов скопились в отвалах за многие годы работы предприятий.

Только разработка наиболее эффективной технологии производства гипсовых вяжущих позволит вовлечь эти отходы в строительство, решить

проблемы обеспечения региона местными строительными материалами, охраны окружающей среды и снять дефицит этого материала.

Отсюда вытекает необходимость исследований возможности производства гипсового вяжущего путем переработки витаминного гипса, отличающегося специфическими свойствами от других гипсосодержащих отходов и тем более от природного гипсового камня. С другой стороны, Белгородская область испытывает трудности в производстве эффективных стеновых материалов для сельского строительства. Получение ячеистых материалов на основе гипсовых вяжущих - один из путей устранения этого дефицита.

В основу предложенной нами технологии газогипса закладывалась гипотеза о возможности получения ячеистой структуры материала за счет расширения воздушных пузырьков, содержащихся в гипсовой смеси.

Цель работы: получение эффективных бетонов с использованием гипсосодержащих отходов витаминного производства.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Теоретическое обоснование возможности эффективной очистки отходов витаминного производства, получения на их основе вяжущих и по-ризации технологической смеси (без применения традиционных пено- и га-зообразователей).

2. Разработка технологии очистки витаминного гипса от органических примесей и изготовление экспериментальной установки.

3. Разработка вакуумной технологии производства ячеистобетонных гипсоблоков без применения порообразователей.

4. Установление зависимостей связывающих состав, структуру и свойства ячеистых бетонов с использованием отходов витаминного производства.

5. Определение технико-экономических показателей производства и применения газогипсовых изделий, полученных по вакуумной технологии, с использованием промышленных отходов.

6. Разработка нормативных документов и внедрение результатов исследований в производство.

Научная новизна:

- разработаны теоретические положения получения экологически чистых отходов витаминного производства (путем нейтрализации очищенных сернокислотных стоков карбидным илом), получения вяжущих со сложно структурированной поверхностью новообразований и их поризации без применения порообразователей;

- установлены зависимости между параметрами воздействия на технологическую смесь и свойствами бетона, способствующие оптимизации условий поризации гипсовой смеси;

- выявлен механизм влияния упаренного фильтрата - отхода производства лимонной кислоты - на процесс схватывания гипсовой смеси, что позволило рекомендовать его в качестве добавки для управления процессами структурообразования;

- получена и исследована математическая модель, позволяющая рассчитать изменения относительного радиуса пузырьков с уменьшением внешнего давления и разработана блок-схема алгоритма производства ячеистого гипсобетона.

Практическое значение работы:

- предложена и апробирована экспериментальная установка для очистки сернокислотных стоков от органических примесей до получения витаминного гипса;

- получены гипсовые вяжущие марок Г-З...Г19 из витаминного гипса, отработаны оптимальные режимы их производства и изучены свойства;

- разработана эффективная вакуумная технология получения газогипсовых блоков (А.с. № 1357400), установлены оптимальные режимы получения ячеистого гипсобетона со средней плотностью 600...900 кг/м3, пределом прочности при сжатии 2,5...4,5 МПа и теплопроводностью не более 0,21 Вт/(м-°С);

- разработаны "Регламент на производство быстротвердеющих гипсовых вяжущих и ячеистых изделий на их основе с использованием отходов витаминного комбината", "Технологический регламент производства яче-

истобетонных блоков на быстротвердеющем водостойком вяжущем" и Технические условия на "Блоки гипсовые и ГЦП бетонные".

Внедрение результатов работы:

- разработаны чертежи и смонтирована экспериментальная установка по очистке и нейтрализации сернокислотных стоков производительностью 25 м3/сутки в цехе 03 АО "Белвитамины";

- в строительном цехе АО "Дружба" Яковлевского района, Белгородской области создан участок для производства газогипсовых блоков стендовым методом по вакуумной технологии. Из полученных изделий построено несколько десятков жилых домов с хозяйственными постройками и подсобными помещениями;

- в АО "ДСПМК Новооскольская" Новооскольского района, Белгородской области смонтирована установка по производству газогипсовых блоков производительностью 10 м3/смену;

- результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров по специальности 29.06 "Производство строительных изделий и конструкций" (приложение 1).

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на координационных совещаниях по проблемам производства гипса и гипсовых изделий в ВНПО стеновых и вяжущих материалов (п. Красково, 1986г.); на Всесоюзном совещании "Пути использования вторичных ресурсов для производства строительных материалов и изделий" (г. Чимкент, 1986 г.); на заседании секции промышленности известковых и вяжущих материалов НТС МПСМ СССР (г. Москва, 1986 г.); на заседаниях НТС Белгородского технологического института строительных материалов им. И.А.Гришманова (г. Белгород, 1987 г.); на научных чтениях в Белгородской государственной технологической академии строительных материалов (г. Белгород, 1995 г.); на Вторых Академических чтениях РААСН (г. Казань, 1996 г.).

Вакуумная технология получения газогипса демонстрировалась на ВДНХ СССР, и получила серебряную медаль.

На защиту выносятся:

- теоретические положения возможности очистки отходов витаминного производства и поризации технологической смеси за счет ее вакууми-рования;

- технология очистки сернокислотных стоков от органических примесей до образования витаминного гипса и получение из него гипсовых вяжущих;

- технология получения гипсобетонных изделий ячеистой структуры;

- установленные зависимости между параметрами воздействия на гипсовую смесь и свойствами газогипса;

- результаты внедрения вакуумной технологии получения газогипса в производство.

Публикации:

По материалам исследований опубликовано 19 печатных работ и получено авторское свидетельство СССР на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 169 страницах машинописного текста, включающего 25 таблиц, 42 рисунка, списка литературы из 159 наименований, 11 приложений.

Работа выполнена на кафедре строительного материаловедения Белгородской государственной технологической академии строительных материалов.

Автор благодарит канд. техн. наук, доцентов А.Е. Грушевского и В.П. Балдина за участие в проведении исследований и обсуждении их результатов, а также сотрудникам БелГТАСМ за помощь в работе.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 1.1 Анализ способов получения материалов ячеистой структуры

Главной особенностью материалов ячеистой структуры является высокая пористость, которая обеспечивает снижение массы и повышение теплоизоляционных свойств изделий.

На основе фундаментальных работ таких известных отечественных и зарубежных ученых как А.Т. Баранов, Ю.М. Баженов, П.И. Боженов, A.B. Волженский, Ю.П. Горлов, К.Э. Горяйнов, И.А. Иванов, В.А. Китайцев, М.Я. Кривицкий, И.Т. Кудряшов, А.П. Меркин, Б.А. Новиков, Б.М.Румянцев, И.А.Рыбьев, Г.П. Сахаров, И.Б. Удачкин, A.A. Федин, A.B. Ферронская, М.И. Хигерович, Е.М. Чернышов и других созданы теоретические основы получения ячеистобетонных изделий и разработаны практические рекомендации широкого их применения в различных областях строительства.

В настоящее время все способы образования ячеистой структуры строительных материалов имеют единую классификацию [4]. Из всех способов наибольшее практическое применение получил способ вспучивания. В основе вспучивания лежат процессы газо- и пенообразования.

Методы получения высокопористого бетона путем введения в смесь соответствующих веществ были предложены еще в 1890 году. Впервые патент США на газообразование в цементном тесте за счет воздействия гидрокси-да кальция на металлический порошок алюминия был выдан в 1914 году И.А. Аулствору и Ф.Л. Дайеру [5].

Практическое применение ячеистого бетона относится к 1923 году. Тогда в Дании Е.С. Байером были описаны процессы, в которых водный раствор пенообразователя вводился непосредственно в цементное тесто и при быстром перемешивании в нем образовывались пузырьки, наполненные воздухом, или цементное тесто смешивалось с предварительно приготовленной пеной из пенообразующего раствора. Эти два способа получили в то время применение на предприятиях Германии, Англии и США [5]. В Швеции Д.А. Эриксон разработал и описал в своих патентах процесс обра-

зования пористой структуры в цементном тесте с помощью газообразующих средств.

Первые исследования технологии и свойств ячеистых бетонов в нашей стране относятся к 30-тым годам. Основоположниками явились П.А. Ре-биндер, A.A. Брюшков, Б.Н. Кауфман и другие [6-8]. H.A. Попов [9] провел исследования по неавтоклавному газобетону на портландцементе. Исследования И.Т.Кудряшова [10] показали, что по сравнению с неавтоклавным пенобетоном автоклавный имеет ряд преимуществ: значительно сокращается расход цемента, резко снижаются усадочные деформации, повышается прочность бетона и т.д. В 1940 году было начато производство газобетонных камней для стен. В начале 40-х годов И.Т. Кудряшовым [11] была разработана технология изделий из автоклавного пеносиликата с применением извести-кипелки и молотого песка.

Много внимания уделено изучению реологических характеристик яче-истобетонных изделий сотрудниками Рижского политехнического института под руководством Г.Я. Кунноса.

Широкое развитие и совершенствование способы производства ячеистого бетона получили в да