Использование промышленных отходов в производстве строительных конструкций, изделий и материалов

Расчетно-графическая работа

на тему: Использование промышленных отходов в производстве строительных конструкций, изделий и материалов

Одесса

2010

Введение

Дисперсные минеральные добавки рекомендуются вводить в бетон и бетонные смеси для достижения следующих основных целей:

- Обеспечение экономии цемента, повышение однородности, связанности, удобоукладываемости бетонной смеси и обеспечения специальных свойств. - Обеспечение специальных свойств бетона - сульфатостойкости, жаростойкости, водостойкости, сопротивляемости щёлочной коррозии, уменьшение тепловыделении; снижение стоимости бетона.

Эффективность действия минеральных добавок зависит от их водопотребности и активности, состава бетона, наличия пластификатора, условий выдерживания и режима ТВО. Эффективность возрастает со снижением класса бетона по прочности, а также при переходе от подвижных к жестким смесям и при использовании песков с повышенной пустотностью. Эффективность применения конкретных видов добавок следует устанавливать опытным путем в процентах подбора состава бетона.

Характеристика некоторых видов добавок

Доменные шлаки

Одним из важнейших компонентов шлаковых цементов является доменный шлак, получаемый при выплавке чугуна; так как в исходной железной руде содержатся глинистые примеси и в коксе — зола, для их удаления в доменную шихту вводят флюсы — карбонаты кальция и магния. В процессе плавки, вступая в химическое взаимодействие с примесями, они образуют шлак, представляющий собой силикатный и алюмосиликатный расплав. Плотность доменных шлаков в два с лишним раза меньше, чем чугуна, поэтому шлаки в горне домны располагаются над слоем расплавленного чугуна и их периодически удаляют через отдельную шлаковую летку. Небольшая часть шлака, захватываемая расплавленным чугуном, также периодически выпускается, но уже через чугунную летку. На 1 т выплавляемого чугуна приходится примерно 0,6—1 т шлака. Основные оксидные составляющие шлака те же, что и у портландцементного клинкера, по соотношения между ними другие. Шлаки в зависимости от агрегата, в котором происходит переплавка того или иного чугуна на сталь, называются шлаками бессемеровского или мартеновского чугуна; шлаки специальных чугунов разделяются на фер-рохромовые, ферромаргапцевые и др. Чугуны разделяются на литейные, передельные и специальные. Каждому виду чугуна соответствует шлак определенного состава; при высоком содержании серы в коксе повышают содержание извести в шлаке; для ускорения процесса плавки в состав шихты вводят марганцевую руду, доломит и др., что влияет на химический состав шлака. Обычно шлак выпускается из домны с температурой 1673—1773 К, при которой он становится жидкотекучим и минимально вязким. Возможность использования шлака для цемента зависит от характера его переработки по выходе из домны. При медленном охлаждении на воздухе в шлаковых отвалах он превращается в плотный камень, причем в зависимости от состава он может постепенно рассыпаться в порошок вследствие так называемого силикатного распада в результате перехода |3-C2S в Y-QS. Распад может вызываться и гидратацией CaS, FeS и MnS (известковый, железный и марганцевый). Нерассыпающиеся медленно охлажденные шлаки дробят и в кусках применяют в дорожном и других видах строительства; для проверки стойкости шлаков во времени используют специальные методы контроля.

Зола-унос

Зола-уноса (далее — зола) представляет собой тонкодисперсный материал, состоящий, как правило, из частичек размером от долей микрона до 0,14 мм. Зола образуются в результате сжигания твердого топлива на ТЭС, и улавливается электрофильтрами, после чего в сухом состоянии отбирается с помощью золоотборника на производственные нужды, либо вместе с водой и шлаком отправляется на золоотвал.

Строение и состав золы зависит от целого комплекса одновременно действующих факторов: вида и морфологических особенностей сжигаемого топлива, тонкости помола в процессе его подготовки, зольности топлива, химического состава минеральной части топлива, температуры в зоне горения, времени пребывания частиц в этой зоне и др. При значительном содержании карбонатов в минеральной части исходного топлива под воздействием высоких температур в процессе горения образуются силикаты, алюминаты и ферриты кальция – минералы, способные к гидратации. Такие золы при затворении водой способны к схватыванию и самостоятельному твердению. В них, как правило, содержатся окись кальция и окись магния в свободном состоянии.

В соответствии с ГОСТ 25818-91 все золы по виду сжигаемого угля подразделяют на:

- антрацитовые, образующиеся при сжигании антрацита, полуантрацита и тощего каменного угля (А);

- каменноугольные, образующиеся при сжигании каменного, кроме тощего, угля (КУ);

- буроугольные, образующиеся при сжигании бурого угля (Б).

В зависимости от химического состава золы подразделяют на типы:

кислые (К) — антрацитовые, каменноугольные и буроугольные, содержащие оксид кальция до 10 %;

основные (О) — буроугольные, содержащие оксид кальция более 10 % по массе.

Золы в зависимости от качественных показателей подразделяют на 4 вида:

I — для железобетонных конструкций и изделий из тяжелого и легкого бетонов;

II — для бетонных конструкций и изделий из тяжелого и легкого бетонов, строительных растворов;

III — для изделий и конструкций из ячеистого бетона;

IV — для бетонных и железобетонных изделий и конструкций, работающих в особо тяжелых условиях (гидротехнические сооружения, дороги, аэродромы и др.).

Топливные гранулированные шлаки

Гранулированные шлаки представляют собой механическую смесь зерен размером 0,14-20 мм. Химический состав шлаков, может изменяться в широком диапазоне - от сверхкислых (М0<0,1) до основных (М0>1). Многие топливные шлаки характеризуются значительным количеством (20 % и более) оксидов железа, содержащихся преимущественно в закисной форме. Содержание стекловидной фазы составляет 85-98%, у основных шлаков оно может быть значительно ниже. В кристаллической фазе возможно наличие муллита, геленита, псевдоволластонита, двухкальциевого силиката и других минералов.

Химический состав гранулированных шлаков, полученных из одного и того же топлива, но с применением различных способов удаления, несколько различается. В топках топливо сжигают в условиях избытка воздуха, т. е. в слабо окислительной среде, в результате чего в кусковых шлаках образуются соединения трехвалентного железа. При жидком шлакоудалении ион Fе3+ восстанавливается до Fе2+ вследствие непосредственного взаимодействия Fе2O3 с углеродом.

Содержание кислых стеклообразующих оксидов (SiO2 + Аl2O3) в гранулированных шлаках находится обычно в пределах 70-85%. Только шлаки из угля Канско-Ачинского бассейна являются слабокислыми (М0 = 0,6-0,9), а шлаки из сланцев - основными (М0>1).

Гранулированные шлаки устойчивы к силикатному и железистому распаду, не вступают в реакцию с оксидами щелочных металлов в цементе, несмотря на наличие в них значительного количества аморфного SiO2.

Растворимый кремнезем предопределяет пуццолановый характер взаимодействия шлаковых зерен с цементным камнем. Реакционная способность повышается с увеличением количества СаО в стеклофазе и снижается при увеличении количества Fе2O3.

Непосредственное влияние на гидравлическую активность шлаков имеет их фазовый состав. Структура зерен шлака зависит от условий охлаждения. Так, шлаковые зерна, полученные при непосредственном попадании расплава в воду, т. е. при отсутствии условий кристаллизации, состоят из однородного алюможелезистосиликатного стекла. В воздушных условиях шлаковый расплав характеризуется более медленным режимом охлаждения, что способствует образованию зародышей кристаллов, вследствие чего структура шлака отличается закристаллизованностью.

Гранулированные шлаки от сжигания углей с низкокальциевой минеральной частью относятся к труднокристаллизующимся даже при относительно медленном охлаждении, содержат не более 10-15 % кристаллических компонентов.

Физико-механические характеристики шлака, его структура зависят от вида сжигаемого топлива и способа его удаления. Среди общей массы шлака можно выделить плотные и пористые зерна с различным количеством открытых и закрытых пор. Средняя плотность таких зерен может колебаться от 2,6 до 1,5 г/см3, в редких случаях встречаются зерна со средней плотностью до 1 г/см3. Истинная плотность шлака в основном 2,3-2,7 г/см3, насыпная находится в пределах 1100-1700 кг/м3.

Меньшая механическая прочность гранулированных шлаков по сравнению с отвальными объясняет их улучшенную размалываемость. На тонкое измельчение гранулируемых шлаков требуется в 1,3-1,5 раза меньше энергии, чем на измельчение отвальных шлаков.

Таблица 1

Содержание добавки, кг/м3 при классе бетона
	В10 150	В15 200	В20 250	В22,5 300	В25 50	>В30 400
Гранулированные, доменные и электротермофосфорные шлаки	250-300	200-250	150-200	100-150	50-100	25-50
топливные золы и гранулированные шлаки	150-250	75-225	50-150	25-100	0-50	-
Вулканические горные породы	150-250	75-225	50-150	25-100	0-50	-

Примечание:

Данные таблица 1 приведены для смесей марок п1 и ж1 приготовленных на основе песков средней крупности Мкрп=2

Расчёт и подбор номинального состава бетона на первом этапе принимают средний расход добавки Д1 из рекомендуемого диапазона в зависимости от класса бетона и вида добавки.

Расход воды в составе с добавкой принимают с учётом повышенной водопотребности минеральных смесей с минеральными добавками

В1= В0+ ∆В

В0 – расход воды бетонной смеси без добавки

∆В – увеличение бетонной смеси за счёт введения добавки

Таблица 2. Увеличение водопотребности бетонной смеси, приведение различных минеральных добавок

добавки	Расход добавки, кг/м3	Увеличение водопотребности бетонной смеси при расходе цемента, кг/м3
		<200	200-300	>300
доменные и электротермофосфорные шлаки	<100 100-200 200-300	0 0-5 5-10	0-5 5-10 10-20	5-10 10-20 20-35
топливные золы и гранулированные топливные шлаки	<100 100-200 200-300	0 0-10 5-20	0-5 5-20 15-40	5-15 10-30 –

Применяем средний расход добавки по таблице 1

Д1= 225 кг/м3

Расход воды определяем по таблице 2

В1= В0+ ∆В

В0 – расход воды бетонной смеси без добавки

∆В – увеличение бетонной смеси за счёт введения добавки В1=195+25=220 л/м3 Рассчитывает расход цемента

Ц0, П0 – расход цемента и песка в составе без добавки

Ц1, Д1 – расход цемента и добавки в составе с добавкой

Расход крупного заполнителя в составе с добавкой принимают такие же как и бездобавочных бетонов Щ1=Щ0 Щ1=1215 кг/м3

Расход мелкого заполнителя определяют по формуле

Определение цементно-водное отношение

(Ц/В)1 = Ц1/В1=240/220=1,09

Рассчитанные в пунктах 2-6 начальный состав бетона с добавкой проверяют на опытном замесе для уточнения и корректировки удобоукладываемости бетонной смеси.

Таким образом для опытного замеса используется следующий состав(N2)

Ц1=240 кг/м3; В1=220 л/м3 ; Д1= 225 кг/м3 ; Щ1= 1215 кг/м3; П1=531 кг/м3

Дополнительные составы бетона с добавкой определяют назначая расходы добавки равные границам диапазонов приведённых в таблице 1, рассчитывая и корректируя составы бетона соответственно с пунктами 2-7.

Всего принимают не менее девяти составов бетона(три основных и шесть дополнительных) различающихся значениями Ц/В на 0,3–0,5 расхода добавки для каждого из которых определяют удобоукладываемость, плотность бетонной смеси и фактически изготавливают контрольные образцы.

Применяем ещё два расхода добавки 200 кг и 250 кг аналогичным путём рассчитываем начальные составы бетона(N1, N3) и осуществляем их корректировку.

Фактические расходы материала на замес устанавливают по формулам 1–5, а расход добавки определяют:

– суммарная масса всех материалов в замесе

– расход минеральной добавки Из корректированных составов бетона изготавливают образцы. По результатам испытаний бетонов, строят базовые зависимости

Rб = f(Ц/В)

Rб = f(Ц)

По которым определяем требуемое значение Ц/В расхода и добавки обеспечивающие заданным показателям бетона. На основании фактической плотности бетонной смеси расхода цемента, воды, добавки и крупного заполнителя рассчитывают количество мелкого заполнителя.

Состав бетона

Номер состава	Расходы компонентов, кг	Ц/В	Плотности, кг/м3
	Ц	В	Д	Щ	П
0	305	195	–	1215	675	1,56	2390
1	238,82	205	200	1215	528,54	1,16	2387,36
2	240	220	225	1215	531	1,09	2431
3	226,73	225	250	1215	501,78	1,01	2418,51

Применяем расход добавки N1 по таблице 1

Д1= 200 кг/м3 Расход воды определяем по таблице 2

В1= В0+ ∆В

В0 – расход воды бетонной смеси без добавки

∆В – увеличение бетонной смеси за счёт введения добавки В1=195+10=205 л/м3 Рассчитывает расход цемента

Ц0, П0 – расход цемента и песка в составе без добавки

Ц1, Д1 – расход цемента и добавки в составе с добавкой

Расход крупного заполнителя в составе с добавкой принимают такие же как и бездобавочных бетонов Щ1=Щ0 Щ1=1215 кг/м3 Расход мелкого заполнителя определяют по формуле

Определение цементно-водное отношение

(Ц/В)1 = Ц1/В1=238,82/205=1,16

Таким образом для опытного замеса используется следующий состав(N1)

Ц1=238,82 кг/м3; В1=205 л/м3 ; Д1= 200 кг/м3 ; Щ1= 1215 кг/м3; П1=528,54

Применяем ещё один расхода добавки 150 кг аналогичным путём рассчитываем начальные составы бетона(N3) и осуществляем их корректировку. Д1= 250 кг/м3 . Расход воды определяем по таблице 2

В1= В0+ ∆В

В0 – расход воды бетонной смеси без добавки

∆В – увеличение бетонной смеси за счёт введения добавки

В1=195+30=225 л/м3

Рассчитывает расход цемента

Ц0, П0 – расход цемента и песка в составе без добавки

Ц1, Д1 – расход цемента и добавки в составе с добавкой

Расход мелкого заполнителя определяют по формуле

Определение цементно-водное отношение

(Ц/В)1 = Ц1/В1=226,73/225=1,01

Таким образом для опытного замеса используется следующий состав(N1)

Ц1=226,73 кг/м3; В1=225 л/м3 ; Д1= 250 кг/м3 ; Щ1= 1215 кг/м3; П1=501,78 кг/м3

Готовим опытный замес из готовой смеси состава № 2 объём 10 литров и проверяем жесткость бетонной смеси составляет 5 сек. соответствует заданному значению.

Определяем плотность смеси опытным путём, её величина составляет 2350 кг/м3 , а расчетное равно 2431 принимаем расчётную. Корректируем расходы компонентов с учётом фактической плотности бетонной смеси и фактических материалов на замес.

Определяем плотность смеси опытным путём, её величина составляет 2350кг/м3 , а расчетное равно 2387,36 принимаем расчётную. Корректируем расходы компонентов с учётом фактической плотности бетонной смеси и фактических материалов на замес.

Определяем плотность смеси опытным путём, её величина составляет 2350 кг/м3 , а расчетное равно 2418,51 принимаем расчётную. Корректируем расходы компонентов с учётом фактической плотности бетонной смеси и фактических материалов на замес.

№ сост.	Расход компонентов	Жёсткость смеси	Ц/В	Плотность, кг/м3
	Ц	В	П	Щ	Д
0	305	195	675	1215	–	5	1,56	2390
1	235	202	520	1196	197	5	1,16	2350
2	232	213	513	1174	218	5	1,09	2350
3	220	219	488	1181	243	5	1,00	2351

Дополнительные составы рассчитывают принимая для них значение Ц/В отличаются на ±0,4 исходного расчётного значения соответствующих начальных составов.

При определение водопотребности в этих составах пользуются уточненнымии данными при приготовлении смесей составов 1–3.

Из бетона № 2 формуем опытные образцы. После этого подвергаем пропариванию по заданному режиму испытания образцов через четыре часа и 28 суток нормального твердения после пропаривания сводим в таблицы и строим зависимости. По критерию минимального расхода цемента применяем состав с оптимальным расходом добавки, цемента, воды и цементно-водного отношения.

Расчёт и подбор номинального состава бетона с минеральной добавкой при отсутствии данных о составе без добавки

Расход минеральной добавки применяем с пунктом 1 первой части. Д1= 225 кг/м3 Ц/В в начальном составе

Ц/В=1,25

Расход воды в начальном составе применяем по рисунку 1

В1= В0+ ∆В

В0 – расход воды бетонной смеси без добавки

∆В – увеличение бетонной смеси за счёт введения добавки

В1=195+25=220 л/м3

Расход цемента

Ц = Ц/ВЧВ1 = 1,25Ч220=275 кг/м3

Абсолютный объём заполнителя рассчитывают

Расход песка определяем при доли писка r принятой по таблице 3

П=Vзап*r*ρп=674,2*0,555*2,05=767,07 кг/м3

Расход щебня

Щ=Vзап*(1-r)*ρщ=674,2*(1-0,555)*2,62=786,05 кг/м3

Определение доли песка и заполнителей в смеси на 1 м3 бетонной смеси при удобоукладываемости бетонной смеси от ж = 20с до осадки конуса 10 см

Расход цемента, кг	Набольшая крупность щебня
	10	20	30
200	0,45	0,42	0,39
300	0,42	0,39	0,36
400	0,39	0,36	0,33
500	0,36	0,33	0,30
600	0,33	0,30	0,27

Таблица составлена для песка Mк=2 при увеличении. При увеличении или уменьшении Mк ±0,5 доля пека увеличивается или уменьшается на r = 0,03

При использовании гравия доля песка уменьшается на r = 0,05.

Для ж > 20с r уменьшается на 0,04, при осадке конуса > 10 см r увеличивают на 0,04.

Дальнейшие расчёты основных начальных и дополнительных составов и их коррекции осуществляют пунктами 7–10 первой части. Набольший состав бетона с добавкой рассчитывают по пункту 11–12.

Применяем два расхода добавки 200 и 250 кг/м3 и аналогичным путём рассчитываем N1 и N3 и сводим в таблицу.

Состав 1

Расход минеральной добавки состава N1 применяем с пунктом 1 первой части. Д1= 200 кг/м3

Ц/В в начальном составе

Ц/В=1,25

Расход воды в начальном составе применяем по рисунку 1 В1= В0+ ∆В

В0 – расход воды бетонной смеси без добавки

∆В – увеличение бетонной смеси за счёт введения добавки

В1=195+10=205 л/м3

Расход цемента

Ц = Ц/ВЧВ1 = 1,25Ч205=256,25 кг/м3

Абсолютный объём заполнителя рассчитывают

м3

Расход писка определяем при доли писка r принятой по таблице 3

П=Vзап*r*ρп=695,27*0,555*2,05=791,04 кг/м3

Расход щебня

Щ=Vзап*(1-r)*ρщ=695,27*(1-0,555)*2,62=810,6 кг/м3

Состав 3

Расход минеральной добавки состава N3 применяем с пунктом 1 первой части. Д1=250 кг/м3

Ц/В в начальном составе

Ц/В=1,25

Расход воды в начальном составе применяем по рисунку 1

В1= В0+ ∆В

В0 – расход воды бетонной смеси без добавки

∆В – увеличение бетонной смеси за счёт введения добавки

В1=195+30=225 л/м3

Расход цемента

Ц = Ц/ВЧВ1 = 1,25Ч225=281,25 кг/м3

Абсолютный объём заполнителя рассчитывают

Расход песка определяем при доли писка r принятой по таблице 3

П=Vзап*r*ρп=667,2*0,555*2,05=759,1 кг/м3

Расход щебня

Щ=Vзап*(1-r)*ρщ=667,2*(1-0,555)*2,62=777,9 кг/м3

Номер состава	Расходы компонентов, кг	Ц/В	Плотности, кг/м3
	Ц	В	Д	Щ	П
1	256,25	205	200	810,6	791,04	1,25	2263
2	275	220	225	786,05	767,07	1,25	2273
3	281,25	225	250	777,9	759,1	1,25	2293

Производство строительных материалов и утилизация промышленных отходов

Промышленность строительных материалов — базовая отрасль строительного комплекса. Она относится к числу наиболее материалоемких отраслей промышленности. Материалоемкость определяется отношением количества или стоимости израсходованных на производство продукции материальных ресурсов к общему объему продукции. Учитывая, что многие минеральные и органические отходы по своему химическому составу и техническим свойствам близки к природному сырью, а во многих случаях имеют и ряд преимуществ (предварительная термическая обработка, повышенная дисперсность и др.), применение в производстве строительных материалов промышленных отходов является одним из основных направлений снижения материалоемкости этого массового многотоннажного производства. В то же время снижение объемов разрабатываемого природного сырья и утилизация отходов имеет существенное экономико-экологическое значение. В ряде случаев применение сырья из отвалов промышленных предприятий практически полностью удовлетворяет потребности отрасли в природных ресурсах.

Первое место по объему и значению для строительной индустрии принадлежит доменным шлакам, получаемым в качестве побочного продукта при выплавке чугуна из железных руд. В настоящее время доменные шлаки являются ценным сырьевым ресурсом для производства многих строительных материалов и прежде всего портландцемента. Использование доменных шлаков как активного компонента цемента позврляет существенно увеличить его выпуск. Европейскими нормами разрешается вводить в портландцемент до 35% доменного гранулированного шлака, а в шлакопортландцемент — до 80%. Ввод доменных шлаков в сырьевую смесь увеличивает производительность печей и снижает расход топлива на 15%. При использовании доменных шлаков для производства шлакопортландцемента снижаются топливно-энергетические затраты на единицу продукции почти в 2 раза, а себестоимость — на 25—30%. Кроме того, шлак как активная добавка значительно улучшает ряд строительно-технических свойств цемента.

Доменные шлаки стали сырьем не только для традиционных, но и для таких сравнительно новых эффективных материалов, как шлакоситаллы — продуктов, полученных методом каталитической кристаллизации шлакового стекла. По прочностным показателям шлакоситаллы не уступают основным металлам, существенно превышая стекло, керамику, каменное литье, природный камень. Шлакоситаллы в 3 раза легче чугуна и стали, они имеют прочность на истирание в 8 раз выше, чем у каменного литья и в 20—30 раз, чем у гранита и мрамора.

По сравнению с доменными пока значительно в меньшей степени используются сталеплавильные шлаки и шлаки цветной металлургии. Они являются большим резервом получения строительного щебня и могут быть с успехом использованы в производстве минеральной ваты, портландцемента и других вяжущих материалов, бетонов автоклавного твердения.

Большим количеством отходов в виде различных шламов характеризуется глиноземное производство. Несмотря на отличия в химическом составе шламов, остающихся после выщелачивания А1203 из природного глиноземсодержащего сырья, все они содержат 80—85% гидратированного двухкальциевого силиката. После обезвоживания этот минерал обладает способностью твердеть как при нормальной температуре, так и в условиях тепловлажностной обработки. Наиболее крупнотоннажный отход глиноземного производства — нефелиновый (белитовый) шлам — с успехом используется для производства портландцемента и других вяжущих, материалов автоклавного твердения и др. При применении нефелинового шлама в производстве портландцемента расход известняка сокращается на 50—-60%, производительность вращающихся печей повышается на 25—30%, а расход топлива снижается на 20—25%.

Большое количество отходов в виде золы и шлаков, а также их смесей образуется при сжигании твердых видов топлива. Их выход составляет: в бурых углях — 10—15%, каменных углях — 5—40%, антраците — 2—30%,