Метод разработки состава многокомпонентного минерального вяжущего на основе техногенного сырья

3 этап. При предварительной оценке пригодности техногенного сырья для производства строительных материалов необходимо убедиться не только в удовлетворительном валовом химическом составе и минимальном содержании вредных примесей, но и в их химико-минералогической однородности.

На данном этапе важно определить, при каких температурах происходит переработка промышленных отходов, и какие кристаллические фазы при этом формируются. Физические свойства и условия образования фаз в основном технологическом процессе характеризуют реакционную способность отходов промышленности, а также позволяют определять условия, при которых возможна активация их свойств.

Соотношение между параметрами физико-химической системы, в том числе промышленных отходов, для решения теоретических и экспериментальных задач, связанных с получением новых материалов и различным сочетанием свойств сырьевых компонентов может быть выполнено с помощью анализа диаграммы состояния CaO – SiO2 – Al2O3.

Поскольку в основном технологическом процессе промышленные отходы проходят высокотемпературную обработку с образованием минералов, представляется возможным их фазовый и химический составы рассматривать

в системе CaO - SiO2 - Al2O3, а диаграмму этой системы (рисунок 2) использо

вать в качестве технической модели для определения оптимального состава основных оксидов разрабатываемого вяжущего материала на базе техногенного сырья. Для решения задачи по проектированию оптимального состава композиционного безобжигового вяжущего в системе CaO - SiO2 - Al2O3 принята некоторая значимая область, к границам которой необходимо привести физико-химические характеристики сырьевых компонентов, которые наиболее близко отвечают его типичному составу и обобщены сходными признаками вяжущих веществ.

На данном этапе, исходя из анализа научных разработок по поиску оптимальных структур безобжиговых вяжущих с улучшенными эксплуатационными свойствами, принимая во внимание существующую сырьевую базу техногенных отходов с определенным фазовым составом, учитывая их свойства и химический состав, выдвинута гипотеза о возможности получения композиционного безобжигового вяжущего, проектируемого в системе CaO - SiO2 - Al2O3 из отходов промышленности.

Анализ областей расположения промышленных отходов по отношению к областям расположения известных материалов (стекло, глиноземистый цемент и т.п.) с совпадением (не совпадением) химического и минералогического состава в системе CaO–SiO2–Al2O3 позволяет определить, к границам какой группы материалов ближе находится исследуемый отход и, соответственно, в какую группу потенциально он может войти. При этом появляются логические выходы, зависящие от зоны охвата исследуемых материалов, рисунок 3.

В случае, когда значения промышленного отхода принадлежат рекомендуемым свойствам конкретного материала, например фосфогипс полностью совпадает с зоной извести (рисунок 2), тогда природный материал, в данном случае известь, можно заменять в производстве строительных материалов промышленным отходом (фосфогипсом), соответственно удовлетворяющим требованиям 1-го этапа.

Интересен для реализации идеи создания новых видов композиционных минеральных безобжиговых вяжущих вариант, когда значения находятся на границе множества свойств.

В данном случае можно поставить вопрос об активном воздействии приближения свойств промышленных отходов к свойствам конкретного материала, т.е. к множеству значений рекомендуемого свойства. Для этого на диаграмме тройной системы CaO – SiO2 – Al2O3 помещаем промышленные отходы с необходимыми свойствами и за счет комплексного использования (смешивания) в математически обоснованных соотношениях приближаем количественный химический состав к центру множества значений рекомендуемых свойств конкретного материала.

В ситуации, когда значения не принадлежат рекомендуемым свойствам конкретного материала, существуют определенные подходы к вопросу дальнейшей работы по вовлечению вторичного продукта промышленности в строительное производство: пассивный подход – отклонить исследуемый материал от использования; активный подход – проанализировать свойства на возможность их модификации различными методами, тем самым сместить в сторону возможности более эффективного применения в строительном материале.

Обобщая задачи логической схемы (рисунок 3) в целях реализации создания нового эффективного материала, необходимо: содержание основных оксидов CaO, Al2O3, SiO2 побочных продуктов промышленности вычислить в долях от 100 % по массе; математическим решением системы уравнений, используя современные программные продукты - Microsoft Office Excel, MathCAD и т.п., долевой химический состав привести к типичному составу основных оксидов конкретного строительного материала в системе CaO–SiO2–Al2O3.

Результатом является расчет состава шихты методом оптимизации для получения строительных композиционных материалов.

2. Разработана «Схема комплексной переработки промышленных отходов в производство строительных материалов» с использованием базиса трехкомпонентной системы CaO-SiO2-Al2O3 в качестве технической модели для проектирования состава сырьевой смеси строительного композиционного материала.

Поэтапный всесторонний анализ информации образуемых промышленных отходов (побочных продуктов), рассматриваемых как минеральный сырьевой источник для переработки в строительной отрасли, с целью практического применения обобщен в разработанной схеме комплексной переработки промышленного сырья в строительное производство, рисунок 4.

Предложен алгоритм схемы в виде функциональных связей на трех последовательных этапах (рис.5): 1 этап – анализ на соответствие промышленных отходов (ПО) требованиям нормативно-технической документации; 2 этап – анализ минералогического состава и физико-химических свойств ПО; 3 этап – анализ направления комплексного вовлечения

побочных продуктов на базе технической модели и расчет состава шихты.

Рисунок 4. Схема комплексной переработки промышленных отходов в производстве строительных материалов

Рисунок 5. Алгоритм формирования сырьевой смеси композиционного строительного

материала при комплексной переработке промышленных отходов

Условные обозначения:

ОТП-X; ОТП-Y - основные отраслевые технологические производства: химической, металлургической и т.п. промышленности; ОПП - основной продукт производства; ПО – промышленные отходы; 1, 2, i... n - виды отходов производства; ГОСТ - государственный стандарт; СТО (ТУ) - стандарт организации (технические условия) на конкретный отход производства, рекомендующий его использование и гарантирующий безопасность для применения в строительной отрасли; НТД – нормативно-техническая документация; 1с, 2с, jС … mС – виды отходов производства (ОП), разрешенные к использованию в строительстве; СХ-1с, СХ-2с, СХ-jC … СХ-mC, – химические свойства j-го вида ОП, разрешенного к использованию в строительстве; СФ-1с, СФ-2с, СФ-jC … СФ-mC – физические свойства j-го вида ОП, разрешенного к использованию в строительстве; СС-1с, СС-2с, СС-jC … СС-mC, – специальные строительные свойства j-го вида ОП, разрешенного к использованию в строительстве; ОС – общая статистика по свойствам конкретного ОП; СС – специальная (отраслевая) статистика по свойствам конкретного ОП; ЛА – лабораторный анализ по свойствам отдельной партии ОП; СМ-1, СМ-2, СМ-k … СМ-f – сырьевые материалы из промышленных отходов; СКМ-1, СКМ-2, СКМ-t … СКМ-w, – строительные композиционные материалы.

3. На основе предложенного метода, базирующегося на использовании трехкомпонентной диаграммы состояния CaO-SiO2-Al2O3, разработан новый состав многокомпонентного минерального вяжущего (ММВ) (патент № 2010146531).

На примере использования промышленных отходов Череповецкого промышленного узла был реализован метод разработки многокомпонентного минерального вяжущего.

Согласно требованиям 1-го и 2-го этапов (рис.1,2) исследованы и проанализированы факторы, влияющие на колебания химико-минералогического состава промышленных отходов Череповецкого промышленного узла на основе научной литературы, технических отчетов отраслевых институтов, выборочных лабораторных исследований. Установлена номенклатура и направления переработки органических и неорганических побочных продуктов промышленности, разрешенных к использованию в строительной отрасли в качестве сырьевых компонентов.

Определены объемы накоплений побочных продуктов промышленности и объемы реализации их в строительную отрасль за период 2005-2010 г.г.

Проведен анализ возможности использования промышленных отходов в производстве строительных материалов в соответствии с требованиями нормативных документов; определен химический и минералогический состав промышленных отходов металлургической, химической, энергетической отраслей. Обобщенные результаты среднестатистических (табл.1), отраслевых, лабораторных исследований по химическому составу показали, что границы отклонений лежат в значениях, характерных для многолетних исследований, откуда можно сделать вывод о стабильности химического состава техногенных отходов Череповецкого промышленного узла в целом.

Таблица 1