ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Описание к ИЛ № 42-068-03

Данная работа является результатом выполнения научно-исследовательской работы.

В лаборатории кафедры строительных материалов Липецкого технического университета разработаны составы строительных растворов и бетонов, при производстве которых используются отходы отработанной формовочной земли сталелитейного цеха НЛМК вместо природного кварцевого песка с частичной или полной его заменой.

Отходы состоят из кварцевого песка с частично разрушенной при обжиге и охлаждении поверхностью зерен и небольших примесей лигносульфонатов и растворимого стекла.

Химический состав отходов формовочной земли включает оксиды в следующих количествах, масс. %:SiO₂- 91-98;Al₂O₃- 4.2-7.0;Fe₂O₃- 0.5-3.0;CaO- 0.5-1.2;P₂O₅- до 0.1;S- до 1,5; лигносульфонаты - до 1; жидкое стекло - до 5.

Анализ химического состава отходов позволил сделать вывод об отсутствии в их составе особо вредных соединений, за исключением серы, которая находится преимущественно в связанном состоянии и не оказывает вредного воздействия на окружающую среду.

По минералогическому составу отработанная формовочная земля представляет собой кристаллы кварца с повышенной дефектностью структуры. Около 70% зерен покрыто оболочками из жидкого стекла, лингосульфонатов и других технологических добавок гидрофобно-гидрофильного характера. Кроме того, в составе формовочной земли присутствуют в небольших количествах полевые шпаты, слюда, частицы кокса и полукокса, сажи и золы, придающие темный цвет материалу.

Вследствие резких перепадов температуры при изготовлении отливок зерна кварца в составе отходов формовочной земли имеют дефектную структуру. Это обуславливает повышенную активность заполнителя и способствует образованию более плотной и прочной пленки связующего при взаимодействии цемента с активизированной поверхностью кварцевого заполнителя по сравнению с природным, практически инертным, кварцевым песком. Кроме того, при резком охлаждении форм после их заливки металлом в составе в составе формовочной земли из глинистых минералов образуются алюмосиликаты и свободные зерна кварца в активном аморфном состоянии, что обеспечивает их повышенную реакционную способность не только с клинкерными минералами, но и с гидроокисью кальция, выделяющейся при гидратации цемента. Они связывают Са(ОН) ₂ в нерастворимые гидроалюминаты или гидросиликаты кальция и повышает плотность, прочность и морозостойкость цементного камня. Аналогичную роль играет АL ₂O₃,, присутствующий в ее составе преимущественно в виде алюмосиликатов.

Компоненты жидкого стекла, используемого в составе формовочной земли в качестве связующего вещества, в процессе изготовления отливок частично переходят в обезвоженный (полуактивный) силикат натрия, а частично остаются в активной форме и не только сохраняют вяжущие свойства, повышая плотность, прочность, водо- и морозостойкость цементного камня, но и увеличивают пластичность, удобоукладываемость и связность бетонной смеси даже при невысоком содержании в ее составе цементного вяжущего. Это позволяет уменьшить водоцементное отношение в бетоне, что, как известно, приводит к улучшению физико-механических характеристик затвердевшего бетона, либо позволяет снизить расход цемента в его составе.

Кроме того, жидкое стекло и выделяющийся из него при твердении гель кремниевой кислоты гидрофобизует стенки пор затвердевшего бетона и повышает его морозо- и водостойкость.

Достижению указанных свойств способствуют и присутствующие в составе формовочной земли лигносульфатоны, обычно применяемые в составах бетонных смесей в качестве пластифицирующих добавок.

Зерновой состав формовочной земли включает значительные количества мелких фракций (модуль крупности находится в пределах 1,5-1,7), которые не приводят к увеличению расхода цемента, а служат активной минеральной добавкой и микронаполнителем, повышающим плотность, прочность и другие свойства бетонов после затвердения.

Замена кварцевого песка на формовочную землю может быть частичной от 1:0,5 до 1:1 или полной в зависимости от объемов поставок формовочной земли. Замена заполнителя из природного кварцевого песка на отработанные формовочные земли позволяет:

- повысить пластичность, удобоукладываемость и водоудерживающую способность растворных смесей, снизить склонность к расслоению малоцементных растворов;

- повысить прочность кладки при равном расходе цемента не менее чем на 20%, либо снизить расход цемента 20%;

- повысить водонепроницаемость строительных растворов и бетонов за счет присутствующих в формовочной земле и органических пластификаторов;

- повысить морозостойкость затвердевших растворов и бетонов за счет гидрофобизации внутренних стенок пор и образования замкнутой поверхности, а также за счет заполнения продуктами твердения жидкого стекла (гель кремниевой кислоты и др.);

- повысить долговечность строительных растворов и бетонов благодаря более высокой прочности и морозостойкости;

- снизить среднюю плотность растворов и бетонов за счет меньшей средней плотности формовочной земли по сравнению с кварцевыми песками и уменьшить тем самым нагрузки на несущие конструкции;

- снизить материалоемкость растворов и бетонов.

Внедрение растворов и бетонов с отходами металлургической промышленности позволило получить значительный экономический эффект за счет улучшения физико-механических и технологических свойств бетонов и растворов, снижения стоимости используемых материалов и затрат на их перевозку, а также исключения отчислений за загрязнение окружающей среды. При этом достигается улучшение экологической обстановки в промышленной зоне за счет уменьшения отвалов формовочной земли. Замена природного сырья на промышленные отходы способствует уменьшению эрозии почв.