СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ВЯЖУЩИХ И МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ

Современное строительство требует значительных затрат материальных ресурсов. Вопросы экологии, ресурсосбережения и энергосбережения, в настоящее время выходят на первый план. В промышленности строительных материалов они особенно актуальны. Непрерывно возрастающая потребность в различных вяжущих и заполнителях для бетонов и растворов многократно обостряет актуальность этих вопросов и требует новых подходов в их разрешении. Для решения такой задачи применяют производство вяжущих и материалов на их основе из отходов промышленности.

Одним из крупных отходов является фосфогипс. Фосфогипс – это многотоннажный и довольно обременительный отход производства концентрированных минеральных удобрений. Он представляет собой порошок или гранулы и содержит от 78 до 95% гипса и поэтому относится к гипсовому сырью. В составе фосфогипса содержится до 4-5% примесей и редкоземельных элементов. Химический состав примесей, выделенных из кристалла фосфогипса, включает следующие соединения:

Таблица 1.

Состав примесей, выделенных из фосфогипса.

Фосфогипс имеет достаточно высокий показатель схватываемости, из него изготавливают гипсовые вяжущие, которые затем применяют в строительной индустрии. При качественной промывке и обработке фосфогипса можно получить высококачественный гипс.

Из вяжущих, полученных на основе фосфогипса, добавляя различные наполнители, получают акустические и декоративные плиты, перегородочные блоки и плиты, кирпичи, гипсокартонные листы. Кроме того его можно применять при производстве цемента в качестве основного вяжущего, потому что он обладает для этого всеми нужными свойствами.

Существует способ получения гипсового вяжущего по технологии Литовского НИИ строительства и архитектуры. По данной технологии исходный фосфогипс не промывают, а создают условия для прохождения процесса превращения активных форм фосфатов в труднорастворимые соединения группы гидроксила-патита. Для этого осуществляют нейтрализацию фосфогипса известью в жидкой пульпе (рис. 1). После полной нейтрализации фосфогипс фильтруется до влажности 20-30%, высушивается в сушильном барабане и поступает в варочный котел, где происходит процесс дегидратации.

Рисунок 1. Схема производства строительного гипса из фосфогипса

На рисунке 1 приняты следующие обозначения: 1-транспорт фосфогипса; 2-мостовой грейферный кран; 3-склад фосфогипса; 4-питатель винтовой; 5-ленточный конвейер; 6-реактор нейтрализации; 7-насос; 8-бункер извести; 9-дозатор; 10-барабанный вакуум-фильтр; 11-питатель; 12-сушильный барабан; 13-ресивер; 14-насос; 15-сборник фильтра; 16-насос; 17-скрубер; 18-ленточный конвейер; 19-элеватор; 20-ленточный конвейер; 21-бункер; 22-гипсоварочный котел; 23-бункер томления; 24-винтовой конвейер; 25-элеватор; 26-бункер; 27-дозатор; 28-шаровая мельница; 29-элеватор; 30-бункер строительного гипса.

Полученный строительный гипс соответствует стандартным требованиям: водопотребность для нормальной густоты- 60-70%, начало схватывания 6-12 мин, конец - 10- 20 мин, 2-часовая прочность на сжатие 5-6, на изгиб 2,4-3,0 Мпа [3].

Используя упрощенную технологию можно получать гипсовое вяжущее из фосфогипса, который выдерживают длительное время в отвалах. Полученный отвальный фосфогипс содержит в несколько раз меньшее количество растворимых фосфатов, что в свою очередь позволяет избежать их отмывки. При смешивании отвального фосфогипса с 1-3% негашеной извести происходит практически полная нейтрализация остающихся в нем кислых примесей. Из нейтрализованного известью отвального фосфогипса обжигом при 140-170 °С в сушильном барабане или варочном котле возможно получение гипсового вяжущего, по свойствам удовлетворяющего требованиям на строительный гипс [1].

Вышеописанная технология упрощает производство гипсового вяжущего из фосфогипса и дальнейшее использование полученного вяжущего в строительных растворах и бетонах.

Существует метод получения гипсового вяжущего в ходе термической обработки фосфогипса при температуре 155-160°С в присутствии добавки этаноламина, добавку в количестве 0,001% - 0,005% от всей массы вводят в ходе термической обработки сырья в гипсоварочный котел. Этаноламин вводится в фосфогипс с целью нейтрализации растворимых фосфорнокислотных примесей, в результате чего образуется нерастворимая соль, и тем самым обеспечивается высокая прочность вяжущего.

Данный метод можно применять на гипсовых заводах, которые работают по общепринятым технологиям производства гипсового вяжущего из природного гипсового сырья в гипсоварочных котлах.

Вместо добавки этаноламина используют триэтаноламин. Наиболее оптимальное количество добавки триэтаноламина составляет от 0,001% до 0,005% от всей массы. Этого вполне достаточно для нейтрализации вредного влияния растворимых фосфорнокислотных примесей в фосфогипсе. Продолжительность загрузки котла измельченным фосфогипсом составляет 20-25 мин. Затем повышают температуру до 155-160°C в течение 55-60 минут. Длительность дегидратации до полуводного гипса составляет около 30-35 минут. Общий цикл термической обработки фосфогипса - 105-120 минут. Готовое вяжущее выгружается в бункер для томления, а после этого отправляется в емкости с целью хранения и использования. Из полученного вяжущего изготавливаются образцы, которые испытываются по ГОСТу 125-79 для сопоставления результатов с прототипом.

Прочности полученного гипсового вяжущего в предлагаемом способе и прототипе равноценны. Предложенный способ достаточно прост в исполнении и исключает подготовительные операции, которые связаны с нейтрализацией в фосфогипсе различных примесей: помол, тепловую обработку в водном растворе добавки, промывку, подсушку и измельчение [4].

Всесоюзный научно-исследовательский институт строительных материалов и конструкций (ВНИИстром) им. Петра Петровича Будникова в результате многочисленных исследований предложил способ получения высокопрочных гипсовых вяжущих обработкой исходного фосфогипса в растворах кислот или солей, имеющих температуру кипения 105-120°С, с промывкой и высушиванием готового продукта.

В данном методе для значительного повышения экономичности автоклавного способа переработки фосфогипса используется ликвидация сушки, помола, а в перспективе и фильтрации продукта автоклавной обработки. На эти стадии расходуется около 45% капитальных, около 50% текущих, более 60% тепловых и энергетических затрат.

Процесс получения вяжущего заключается в дегидратации гипса, который содержится в фосфогипсе, до полугидрата, а процесс изготовления изделий - в обратном: гидратации полугидрата до гипса в большом избытке воды. Таким образом, наблюдается парадоксальный факт: при влажном исходном сырье (фосфогипс) и влажном готовом продукте (гипсовые изделия) на промежуточной стадии технологического процесса посредством сушки получают порошкообразный продукт (гипсовое вяжущее), который при изготовлении изделий на этом же предприятии уже через короткий промежуток времени снова смешивают с водой. Также эффективно производство изделий непосредственно из фосфогипса по одностадийной технологии, предусматривающей осуществление обоих химических процессов - дегидратации двуводного гипса и гидратации образуемого полугидрата - в пределах одного технологического цикла (рис. 2). Дегидратация полученного гипса протекает по принципу «самозапаривания», т. е. в формах повышенной плотности кристаллизационная вода выделяется в капельножидком состоянии, оставаясь в порах зерен и пустотах кристаллической решетки гипса.

Рисунок 2. Принципиальная схема переработки фосфогипса в изделия без промежуточного получения порошкообразного вяжущего.

На рисунке 2 приняты следующие обозначения: 1-агрегат для модификации фосфогипса; 2-насос; 3-автоклав непрерывного действия; 4-фильтр; 5-смесительно-активирующий агрегат; 6-машина для формования изделий; 7-изделия.

По этой технологии изделия можно формовать на установках, состоящих из двух пуансонов и наружной опалубки. Верхний пуансон служит выталкивателем отпрессованного изделия. В форму засыпают гипсовое сырье, разравнивают его, а затем верхний пуансон приводят в соприкосновение с поверхностью порошка. Таким способом создается замкнутое пространство, в котором производят термическую обработку фосфогипса, после чего полученную гидратирующуюся массу прессуют. Опалубку с затвердевших изделий снимают при температуре ниже 40 °С [2].

Известен способ получения гранулированного фосфогипса, который применяется в качестве регулятора сроков схватывания цемента и других вяжущих взамен природного гипсового камня.

Данный способ заключается с том, что в двухвальном смесителе изготавливается смесь сырьевых компонентов, которая содержит по массе 60-70% влажного фосфогипса и 30-40% пыли электрофильтров вращающихся цементных печей. Пыль электрофильтров вращающихся цементных печей, из-за своей высокой активности, обладает способностью связывать содержащуюся в фосфогипсе воду, в результате чего для того, чтобы обеспечить необходимую пластичность в смесь могут ввести дополнительное количество воды. Готовая смесь подается на грануляцию в дырчатые вальцы, в которых и происходит формирование гранул. На выходе из дырчатых вальцов гранулы сразу опудриваются тонкодисперсным минеральным порошком, который обладает вяжущими свойствами. В качестве опудривающего материала может быть использована пыль электрофильтров вращающихся цементных печей, сухая зола-унос ТЭЦ, известняковая или доломитовая мука, пыль-унос производства ферросилиция и др. По фазовому составу фосфогипс состоит в основном из дигидрата сульфата кальция и полугидрата сульфата кальция, в небольших количествах присутствуют примеси водорастворимых солей фосфорной и фтористоводородной кислот, кремнезема, солей Mg, AI и щелочных металлов.

В цементной пыли вращающихся цементных печей содержатся клинкерные минералы, карбонат и оксид кальция, а также значительное количество щелочей, т.е. цементная пыль содержит комплекс веществ, которых необходимо и достаточно для того, чтобы полностью нейтрализовать кислотные остатки, которые содержатся в фосфогипсе. Продукты нейтрализации представляют собой сложные водорастворимые комплексы и соли. Благодаря сочетанию физических и химических свойств фосфогипса, связующего и опудривающего материала в короткие сроки после завершения процесса гранулирования достигается высокая прочность гранул, нейтрализация кислотных остатков как внутри вещества гранул, так и полная их нейтрализация на поверхности гранул. За счет применения высокоактивных тонкодисперсных порошков для опудривания достигается высокая прочность сцепления опудривающего слоя с материалом гранул при минимальной его толщине, которая, в принципе, ограничивается 1-2 слоями микрочастиц порошка. Гранулированию подвергается фосфогипс с исходной влажностью 20-25%. Активность пыли электрофильтров вращающихся печей и ее водопотребность настолько высоки, что при реализации способа требуется ведение в сырьевую смесь дополнительного количества воды, которая связывается полностью, что позволяет исключить из технологического процесса операцию сушки.

Полученные гранулы фосфогипса имеют начальную прочность на сжатие 2,0-2,4 МПа. С течением времени происходит дальнейший рост прочности, которая на третьи сутки достигает 7,0-9,0 МПа.

Опудривание гранул фосфогипса тонкодисперсным минеральным порошком препятствует их агрегатированию, а также связывает активные точки поверхности гранул, что делает их еще более прочными.

Высокая прочность в ранние сроки твердения позволяет использовать и транспортировать гранулированный фосфогипс непосредственно после изготовления.

Использование предложенного способа позволяет упростить технологический гранулирования фосфогипса, повысить прочность и транспортабельность гранул, а полученный продукт может применяться в строительных растворах и бетонах.

Вывод: процесс переработки отходов, которые содержат фосфогипс, целесообразен для получения гипсовых вяжущих, которые в дальнейшем можно использовать в строительных растворах и бетонах. Полученный фосфогипс применяют в строительных растворах и бетонах, что позволяет сэкономить на утилизации отходов, улучшить экологическую обстановку, упростить эксплуатацию предприятий и получить высокопрочный строительный гипс.

Список литературы:

1. Андреев А. И., Дегтярь Т. С., Крылова О. К. Способ получения гипса // Патент РФ № 2371389. 2009, Бюл. № 30
2. Дворкин Л.И. Строительные материалы из отходов промышленности: учебно-справочное пособие / Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин. – М.: Ростов-на-Дону: Феникс, 2007. - 368 с.
3. Мещеряков Ю.Г., Федоров С.В. Промышленная переработка фосфогипса / Мещеряков Ю.Г., Федоров С.В. – М.: Санкт-Петербург, “Стройиздат СПб”, 2007. – 104 с.
4. Нестеренко Н. Г.; Сулейменов А. Т.; Манжиев П. В. Способ получения гипсового вяжущего // Патент республики Казахстан № 11310. 2006. Бюл. №3.