К.т.н., доц. Клименко В.Г., к.т.н., доц. Володченко А.Н.

Белгородский государственный технологический

университет им. В.Г. Шухова, Россия

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ГИПСОВЫХ ВЯЖУЩИХ И ОТХОДОВ СТЕКЛОБОЯ

В нашей стране ежегодно образуется около 35-40 млн. т. твердых бытовых отходов, при этом, переработке подвергается всего около 3-4 % ТБО. Количество стеклобоя в них для разных территорий составляет от 2 до 6 мас. %. Таким образом, объем отходов стекла, попадающих на полигоны ТБО, составляет 2-6 млн. т. в год. Можно выделить следующие причины повышенного интереса к утилизации отходов стекла:

– во-первых, на производство стеклянной продукции требуются большие материальные и энергетические затраты;

– во-вторых, стеклобой является одним из наиболее сложно утилизируемых отходов, разрушающийся сотни лет.

Анализ имеющейся литературы позволяет выделить следующие пути утилизации отходов стекла:

1. Использование стеклобоя в качестве вторичного сырья при производстве стеклянной тары.

2. Применение стеклобоя в качестве сырья при производстве различных строительных материалов (наполнители бетона; пеностекло; производство микроизделий (микрошарики, микросферы, бисерные шарики) для высоконаполненных композиций).

Использование стеклобоя в качестве наполнителя бетонов на портландцементном вяжущем связано с рядом проблем. Так, добавление молотого стекла в портландцементные бетоны, в большинстве случаев, приводит к протеканию процесса щелочно-силикатного взаимодействия и снижению прочности материала. В результате щелочно-силикатного взаимодействия образуется гель, который разбухает в присутствии влаги, приводя к образованию трещин и разрушению бетона на основе портландцемента. Данная реакция может протекать и в обычном бетоне, если наполнитель содержит аморфный реакционноспособный кремнезем. Щелочно-силикатное взаимодействие зависит от размера частиц стекла. При размере частиц < 50 мкм происходит аномально высокий рост прочности бетона.

В гипсовых системах образование геля гидросиликата кальция, наоборот, должно улучшить характеристики вяжущего, за счет образования более плотной и прочной структуры материала. Поэтому, гипсовые вяжущие более предпочтительны в строительных материалах с использованием стеклобоя.

На наш взгляд, использование многофазовых гипсовых вяжущих в смеси со стеклобоем позволит решить проблему щелочно-силикатного взаимодействия.

В связи с чем, целью работы был анализ возможности получения строительных материалов на основе гипсовых вяжущих и отходов стеклобоя.

В состав обычного тарного стекла входят силикаты металлов, чаще Ca, Na, K и SiO₂. Стекло является аморфным веществом, основные компоненты которого находятся в неустойчивом активном состоянии. Дробление и помол стекла приводят к разрушению этой структуры и дальнейшему повышению активности образующихся продуктов. В местах разрушения структуры стекла появляются активные кислотно-основные центры, способные поляризовать воду. Преобладающими являются Льюисовские основные центры, поляризующие воду с отрывом ионов H⁺ и выделением в раствор ионов OH^–. Основания Льюиса отдают электронные пары, а кислоты Льюиса – принимают электронные пары. Величина рН водных суспензий продуктов дробления и помола стекла, за счет гидролиза силикатов, больше 7.

При соприкосновении с водой продукты термообработки гипса также поляризуют молекулы воды, изменяя кислотность среды. Можно выделить два типа поляризации молекул воды [1]. Если поляризация воды происходит за счет свободных орбиталей ионов Са⁺², образующихся при неполном разрыве водородных связей, то суспензия вяжущего подкисляется. В случае поляризации воды ионами SO₄^2-, образующимися при полном разрыве водородных связей, суспензии вяжущего приобретают щелочную среду.

Устойчивые фазы сульфата кальция поляризуют воду за счет неподеленных электронных пар групп SO₄^2–, с отрывом ионов H⁺ по схеме:

2CaSO₄ + 2H-OH → Ca(HSO₄)₂ + Сa(OH)₂. (1)

Активные фазы сульфата кальция поляризуют воду за счет свободных орбиталей ионов Сa⁺² с отрывом ионов OH^– по схеме:

2CaSO₄ + 2H-OH → (CaOH)₂SO₄ + H₂SO₄. (2)

В первом случае в суспензиях уменьшается концентрация ионов SO₄^2–, а во втором – ионов Сa⁺², за счет образования слабых электролитов. Гидроксилированные твердые гипсовые частицы обладают амфотерными свойствами и способны вступать во взаимодействие, как с кислотными, так и с основными веществами в зависимости от природы окружающих частиц.

При смешивании устойчивых фаз сульфата кальция с продуктами помола стекла возможны реакции 3, 4, 5, а активных фаз сульфата кальция - реакции 6, 7, 8.

Ca(HSO₄)₂ + 2NaOH → CaSO₄ + 2H₂O + Na₂SO₄. (3)

2NaHSiO₃ + Сa(OH)₂ → CaSiO₃ + 2H₂O + Na₂SiO₃ (4)

Ca(HSO₄)₂ + 2NaHSiO₃ → 2H₂O + Na₂Ca(SiO₃)₂(SO₄)₂ (5)

(CaOH)₂SO₄ + 2NaHSiO₃ → 2H₂O + CaSO₄ + CaSiO₃ + Na₂SiO₃ (6)

2NaHSiO₃ + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂SiO₃ (7)

2NaOH + H₂SO₄ → 2H₂O + Na₂SO₄ (8)

Представленные реакции относятся в основном к реакциям кислотно-основного взаимодействия. Химическое равновесие их смещено в сторону продуктов реакции из-за образования слабого электролита – воды. Возможна поликонденсация продуктов поляризационного взаимодействия гипсового вяжущего и продуктов помола стеклобоя с водой. Гидросиликаты кальция, образующиеся в контактной зоне между гипсом и наполнителем из молотого стекла, со временем будут способствовать срастанию их зерен и увеличению прочности материала. На образование в контактной зоне между гипсовым вяжущим и стеклопором низкоосновных гидросиликатов типа CSH указывал в своей работе Румянцев Б.М. [2].

При смешивании продуктов термообработки гипса и продуктов помола стеклобоя возможны два процесса, уплотняющие структуру материала – это образование полимерных структур за счет поликонденсации продуктов поляризационного взаимодействия гипсового вяжущего и молотого стеклобоя, и образование в контактном слое образцов субмикрокристаллических новообразований гидросиликатов кальция CSH с основностью около единицы.

Таким образом, нейтрализовать отрицательное влияние щелочно-силикатного взаимодействия на свойства строительных материалов можно, заменив щелочесодержащие вяжущие (портландцемент, известь и др.) гипсовыми вяжущими. Гипсовые вяжущие, поверхность которых обладает амфотерными свойствами из-за наличия электронодонорных и электроноакцепторных центров, будут подвергаться поликонденсационному взаимодействию с продуктами помола стеклобоя, что улучшит структуру композиционных материалов на их основе. На основе многофазовых гипсовых вяжущих и отходов стеклобоя можно получить композиционные строительные материалы. Работы по данной тематике на кафедре продолжаются.

Литература:

1. Клименко, В.Г. Активаторы твердения ангидрита на основе продуктов термообработки гипса [Текст] / В.Г. Клименко // Известия вузов. Строительство. – 2011. – № 4. – С. 21–28.

2. Румянцев, Б.М. Акустические и эксплуатационные свойства материалов на основе стеклопора и гипсового вяжущего [Текст] / Б.М. Румянцев // Строительные материалы. – 1987. – № 4. – С. 22–24.