МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006

УДК 691.3

БЕСЦЕМЕНТНЫЙ БЕТОН на ОСНОВЕ ЩЕЛОЧЕСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ

нефтехимической промышленности

 

А.Н. Клюев – к.т.н., доцент;   В.Б. Семенов – к.т.н., проф.

ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,

г. Москва, Россия

 

Возведение надежных и долговечных сооружений гидротехнического, гидромелиоративного и природоохранного назначения является одной из основных задач современного строительства. Особое внимание при решении этой проблемы должно быть уделено тем конструктивным элементам рассматриваемых сооружений, которые подвержены длительному воздействию водной среды, абразивному воздействию, попеременному замораживанию и оттаиванию.

Основным строительным материалом для гидротехнических и гидромелиоративных сооружений является бетон. Совместное действие на него перечисленных выше факторов снижает физико-механические характеристики бетона и приводит к его разрушению. Для исключения такого положения приходится прибегать к специальным инженерным решениям по защите строительных конструкций и обеспечению требуемого срока их эксплуатации.

Основоположником науки о коррозии бетона профессором В. М. Москвиным предложено подразделять меры защиты железобетонных конструкций от коррозии на первичные и вторичные. К первым относятся мероприятия, которые реализуются на стадии изготовления и возведения конструкций, вторые выполняются как дополнительные, если первичная защита не обеспечивает требуемой долговечности конструкций.

Первичная защита железобетонных конструкций обеспечивается применением бетонов, имеющих повышенную коррозионную стойкость к агрессивным воздействиям среды и способность защищать стальную арматуру от коррозии. Меры первичной защиты включают в себя использование для изготовления бетона и железобетона материалов, имеющих повышенную коррозионную стойкость (определённые виды вяжущих, заполнителей, модификаторов, сталей для арматуры), выбор составов и технологических режимов, обеспечивающих повышенную стойкость бетона в агрессивной среде и его низкую проницаемость. К мерам первичной защиты относится также назначение требований к категории трещиностойкости, ширины расчётного раскрытия трещин, толщины защитного слоя.

Вторичная защита включает в себя применение различного рода химически стойких и мало проницаемых антикоррозионных покрытий, оклеечной изоляции, футеровок, уплотняющих пропиток.

Проблема повышения долговечности конструкций и изделий решается применением новых видов бетонов, сочетающих конструктивные свойства с высокой химической стойкостью. Вследствие этого отпадает необходимость во вторичной защите, снижаются затраты на эксплуатацию. К наиболее известным химически стойким бетонам в настоящее время можно отнести полимербетоны на основе синтетических смол и бетоны на основе       щелочесиликатного вяжущего, компонентами которого являются перлит и жидкое стекло [1]. К такому бетону относится модифицированный щелочесиликатный бетон (ЩСБ). Этот бетон обладает высокими физико-механическими характеристиками, достаточными морозостойкостью и коррозионной стойкостью. Состав бетона на 1 м3 смеси: щебень – 1140 кг, песок кварцевый – 600 кг, жидкое натриевое стекло – 200 кг, перлит – 390 кг, обожженная глина – 35 кг.

Отформованная в изделие смесь твердеет в автоклаве в условиях гидротермальной обработки при давлении  0,8 Мпа, температуре 1700С по режиму 2+8+2 ч (выход на режим + выдержка + выход из режима). 

Основные свойства щелочесиликатного бетона приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные физико-механические и эксплуатационные характеристики

модифицированного бетона ЩСБ

 

Характеристика

Показатель

Средняя плотность, кг/м3

2300…2400

Прочность на сжатие, МПа

100…110

Прочность на растяжение, МПа

9,2…9,4

Начальный модуль деформации, МПа

(53…55) · 103

Прочность сцепления с арматурой, МПа

25

Истираемость (воздух/вода), г/см2

0,07 / 0,16

Водостойкость

0,85…0,88

Кислотостойкость

0,92…0,94

Кислотопроницаемость, мм

8…14

Маслостойкость

1,1

Морозостойкость, циклы

1000

 

Однако относительно высокая стоимость синтетических смол, а также дефицитность жидкого стекла в строительной индустрии сдерживают широкое применение этих бетонов.

Расширению сырьевой базы производства коррозионностойких щелочесиликатных бетонов способствует разработка вяжущих на основе много тоннажных щелочесодержащих отходов нефтехимической промышленности. На предприятиях Башкирии по производству катализаторов крекинга нефти образуется ежедневно около 200 м3 щелочесодержащих отходов.

В настоящее время в связи с задачей углубления переработки нефти для процессов крекинга используются «катализаторы крекинга микросферические цеолитсодержащие».

Рассматриваемые катализаторы представляют собой смешанные оксиды алюминия и кремния, содержащие в качестве активатора небольшое количество воды. Они являются катализаторами кислото - основного катализа. В процессе приготовления происходит поликонденсация гелей Al2O3 и SiO2 с образованием связей -Si-O-Al-  или -Si-O-Si-. Катализаторное производство имеет три основных отделения: сырьевое, формовочно-промы-вочное и сушильно-прокалочное.

Щелочной отход производства катализатора образуется в сырьевом отделении. Оно состоит из двух блоков, включающих операции приготовления силикатов натрия и сернокислого раствора сульфата алюминия. Силикат натрия готовят из «силикат-глыбы» – твердой смеси солей натрия поликремневых кислот (nSiO2 x mNa2O). Силикат-глыба должна иметь силикатный модуль (молярное отношение SiO2 к Na2O) около трех. Силикат-глыбу готовят по следующей схеме. Ее дробят в щековой дробилке, затем растворяют во вращающихся автоклавах при давлении 0,6 МПа и температуре 200-2200С, залив предварительно определенным количеством воды. В результате варки образуется раствор плотностью 1,35-1,45 г/см3. В смесителе выдавленный из автоклава раствор разбавляют водой, отстаивают и подают насосом на фильтр-пресс. Предварительное разбавление раствора до плотности 1,25 г/см3 позволяет уменьшить сопротивление при фильтровании. Отфильтрованный раствор самотеком поступает в сборную емкость. Оставшаяся на фильтре масса подается транспортером на место складирования. Масса представляет шлам влажностью 40-50 %.

Для щелочесодержащих отходов производства катализаторов крекинга нефти, получаемых сбором с фильтров очистки катализаторных фабрик, характерен относительно стабильный химический состав и высокое содержание силикатов натрия, что отличает их от других щелочесиликатных отходов.

В настоящее время ни в нашей стране, ни за рубежом подобные отходы не используются, а сливаются в водоемы или вывозятся на свалки. Поэтому, в связи с усилением внимания к экологическим вопросам, значительно увеличились требования служб охраны бассейновых вод. Вследствие этого, на катализаторных фабриках запрещен непосредственный сброс сточных вод в водоемы, а также вывоз отходов на захоронение. Рациональным и экономически целесообразным способом утилизации щелочесодержащих отходов производства катализаторов является использование их в качестве компонента щелочесиликатного вяжущего. Применение щелочесодержащих отходов производства катализаторов крекинга для получения коррозионностойких бетонов имеет важное экономическое и экологическое значение. Исследования по разработке коррозионностойкого бетона с использованием данных отходов для конструкций, работающих в условиях агрессивных сред, проводили совместно с Шабаевым В.Т. в Центральной лаборатории коррозии НИИЖБ [2].

Установлено, что затворенная водой тонкомолотая смесь из кислого вулканического стекла (перлита) и щелочесодержащих отходов в условиях гидротермальной обработки проявляет вяжущие свойства и обеспечивает получение бетона с высокими коррозионной стойкостью и прочностными характеристиками. Образуется низкотемпературный кристаллобалит, гидроалюмосиликат и гидросиликат натрия. Как показали исследования, оптимальным содержанием перлита и щелочесодержащего отхода является 3,8 массовых частей перлита на одну часть отходов, что обеспечивает получение прочного, водо- и кислотостойкого камня.

Процесс изготовления коррозионностойких изделий состоит из следующих основных операций: подготовка вяжущего; подготовка заполнителя; дозирование составляющих; приготовление бетонной смеси; формование изделий; гидротермальная обработка изделий в автоклаве; распалубка и складирование готовых изделий.

Подготовка щелочесодержащего отхода состоит в сушке в сушильном барабане, поступающего со склада в виде гранул сырья до влажности не более 2 % и помол его в шаровой мельнице до удельной поверхности S = 2500 см2/г. Измельченный щелочной компонент подается в расходный бункер-накопитель. Создается не более чем суточный запас сырья, так как, при длительном хранении снижается активность щелочного компонента вследствие карбонизации. помол перлита производится до S = 4500 см2/г.

Поступающий со склада промытый песок, не содержащий примесей, сушится до влажности не более 2 %. В качестве заполнителя должны применяться кварцевые пески природные и обогащенные.

Все материалы дозируются по массе.

Бетонную смесь следует готовить в смесителе принудительного действия (типа СБ-35). Вначале перемешиваются сухие компоненты. Затем подается необходимое количество воды и смесь перемешивается дополнительно. Признаком достаточного перемешивания является равномерное распределение всех компонентов по объему смеси, отсутствие комков.

Бетонная смесь укладывается в металлические формы, которые должны быть герметичными, жесткими и разъемными. Укладка начинается одновременно с включением виброплощадки. Продолжительность уплотнения бетонной смеси зависит от высоты формируемых изделий. Окончание уплотнения определяется по выделению на поверхности жидкой фазы.

Бетонная смесь способна твердеть и набирать высокую прочность только в среде насыщенного водяного пара при повышенных давлении (0,8 МПа) и температуре (1740С). Во избежание вспучивания смеси в процессе твердения в автоклаве, поверхность изделий следует покрывать крышкой. После предварительной выдержки изделий в течение 24 ч они подаются в автоклав. Продолжительность этапов термовлажностной обработки зависит от массивности изделий. Для изделий, имеющих толщину не более 300 мм рекомендуется следующий режим: 2+8+2 ч (выход на режим + выдержка + выход из режима).

После гидротермальной обработки изделия должны быть охлаждены по режимам, исключающим высокие температурные напряжения. Расход материалов на 1 м3 бетонной смеси и основные физико-механические свойства и коррозионная стойкость бетона приведены в табл. 2, 3.

Таблица 2

Расход материалов на 1 м3 бетонной смеси

 

 

Материал

Расход материала

%

кг/м3

Щелочесодержащий отход

5,8

130

Молотый перлит

23,2

520

Песок

61,8

1385

Вода

9,4

215

                                                                                                                              Таблица 3

Основные физико-механические свойства и коррозионная стойкость бетона

 

Cвойства бетона

Показатели

Средняя плотность,  кг/м3

2200-2300

Прочность на сжатие, МПа

50-60

Прочность на растяжение, МПа

5,0-5,4

Истираемость (ЛКИ-3), г/см2

0,45-0,52

Водостойкость

0,66

Кислотопроницаемость, мм

12

Кислотостойкость

0,65-0,75

Маслостойкость

1,0

Морозостойкость, циклы

500

 

Использование щелочесодержащих отходов позволяет экономить 200 кг жидкого стекла на 1 м3 изделий из щелочесиликатного бетона [1].

Несмотря на снижение основных физико-механических и эксплуатационных характеристик бетона на щелочесодержащем отходе катализаторного производства по сравнению с жидкостекольным щелочесиликатным бетоном, его целесообразно использовать в изделиях подверженных воздействию агрессивных сред.

 

Библиографический список

 

1.      Клюев А.Н., Пименов А.Н., Гузеев Е.А. Износостойкие щелочесиликатные бетоны. //Коррозионная  стойкость  бетона,  арматуры  и  железобетона  в агрессивных средах. – М.: НИИЖБ, 1988. С. 58-62.

2.      Шабаев В.Т., Пименов А.Н., Клюев А.Н. Бесцементный бетон повышенной коррозионной стойкости. /Науч. -техн. информ. сб.: Передовой производственный опыт, рекомендуемый для внедрения в материально-техническом снабжении. – М.: ЦНИИТЭИМС, 1989. Вып. 1. с. 24-25.