Производство серных композиционных материалов на основе золошлаковых отходов теплоэнергетики с целью улучшения прочностных свойств

Есенаманова Ж.С., Нуркеев С.С.

г. Алматы Казахский Национальный Технический Университет имени К.И. Сатпаева

Разработка технологий серных композиционных материалов актуальна ввиду того, что указанные материалы обладают рядом ценных свойств – прочностью, стойкостью к истиранию, водонепроницаемостью, кислотостойкостью и т. д. Производство серных композиций с применением дешевой серы становится экономически обоснованным.

Производство природной и вторичной серы непрерывно возрастает. В ряде стран (Россия, Канада, Польша) производство серы постепенно превышает её потребление, что приводит к значительному снижению её стоимости. Поскольку доля дешевой попутной серы – отхода нефтегазового комплекса – увеличивается, производство материалов с ее применением становится экономически обоснованным.

Золошлаковые отходы так же являются ценным и дешевым техногенным продуктом, поскольку использование их в строительных материалах существенно улучшает прочностные и эксплуатационные свойства материалов. Они широко используются в качестве добавок в технологии цементов, бетонов и других силикатных материалов. Однако до сих пор практически не рассматривалась возможность получения серных композиций с использование золошлаковых отходов ТЭЦ, модифицированных электрофильными активаторами. На наш взгляд, такие композиционные материалы должны обладать более высокими механическими свойствами, водостойкостью и устойчивостью к агрессивным средам. Такие технологии позволили бы значительно снизить себестоимость готового продукта, решить экологическую проблему в регионе и улучшить другие технико-экономические показатели.

В связи с изложенным, целью настоящей работы является разработка технологии утилизации серных отходов нефтегазового комплекса и золошлаковых отходов ТЭЦ в композиционные материалы строительного назначения с высокими механическими и эксплуатационными свойствами.

Известно, что в композиционных строительных материалах значительную площадь контакта со связующим имеют наполнители, благодаря их большой удельной поверхности. Первой стадией взаимодействия вяжущего и минерального наполнителя является смачивание вяжущим поверхностей минеральных материалов. Поэтому при получении серных композиций основное структурообразование происходит на стадии перемешивания расплавленной серы с наполнителем. При этом на поверхности минерального наполнителя в процессе остывания серы формируются более однородные кристаллы, размеры которых значительно меньше, чем в объеме свободной серы без наполнителя. При оптимальной степени наполнения практически вся сера переходит в более однородное мелкокристаллическое состояние. Уменьшение кристаллов серы обуславливает не только увеличение прочности серного вяжущего, формирование оптимальной толщины пленки вокруг зерен наполнителя, но и образование более интенсивных связей связующего с поверхностью наполнителя. В этой связи важное значение имеют исследования, направленные на установление структурных превращений на контактной зоне связующих с наполнителями различной природы.

Серная композиция представляет собой оптимально подобранную смесь расплава серы и тонкомолотого наполнителя, способную при охлаждении образовывать прочное камневидное тело.

От свойств и количества композиции во многом зависят физико – механические и эксплуатационные свойства серных композиционных материалов. Поэтому серные композиции должны обладать оптимальными физико – механическими свойствами.

Наиболее важным свойством серных композиций, характеризующим качество сформировавшейся структуры, является прочность, которая при прочих равных условиях зависит от физико–механических характеристик компонентов и интенсивности физико – химического взаимодействия на границе раздела фаз.

В качестве наполнителя использовали золошлаковые отходы с удельной поверхностью 2890 см²/г. Первостепенным структурообразующим фактором является содержание наполнителя, введение которого приводит к изменению прочности серных композиций (рисунок 1). На рисунке 1 представлены экспериментальные данные зависимости прочности при сжатии системы в зависимости от соотношения компонентов серы: ЗШО при различных технологиях. Компоненты ЗШО являются химически активными к сере и обеспечивают больший прирост прочности.

Из рисунка 1 мы видим, что все экспериментальные кривые имеют экстремум, т.е. необходима оптимизация соотношения серы: ЗШО.

Рисунок 1 Предел прочности при сжатии серо-золошлаковых композиций при различных соотношениях компонентов и времени синтеза: 1,3 - 30 минут; 2,4 – 60 минут, полученных виброукладкой (кривая 1;2) и прессованием (кривая 3;4)

На рисунке 2 представлены результаты исследования вида и количество наполнителя на водопоглощение серных мастик оптимального состава.

Рисунок 2 Зависимость водопоглощения серо-золошлаковых композиций при различном соотношении компонентов и времени синтеза образцов: 1 – 30 минут; 2 – 60 минут, полученных виброукладкой (кривая 2) и прессованием (кривая 1)

Из рисунка 2 видно, что образцы на золошлаковых отходах имеют довольно низкое водопоглощение.

Как видно из рисунков, оптимальным с точки зрения прочностных свойств материала является соотношение сера: наполнитель, равное 1:1,5 для образцов с виброукладкой и 1:1,5 – 1:2 для прессованных образцов. Рост прочности с увеличением степени наполнения можно объяснить равномерным распределением ЗШО и образованием ими прочной каркасной структуры. При оптимальном количестве наполнителя песчинки ЗШО не дают разрастаться микротрещинам, образующимся при нагружении образца. Ухудшения водостойких свойств и прочностных характеристик композиций при превышении оптимальной степени наполнения можно связать с недостатком вяжущего и вследствие этого, неполным смачиванием и обволакивание зерен минерального наполнителя, что приводит к образованию пустот и полостей.

Таким образом ЗШО является активными наполнителями, образуют композиции с серой максимальной прочности при соотношении сера: ЗШО равное 1:1,5.

Использованная литература:

1. Оспанова М.Ш., Жушнисов М.Т., Нурпенсов С.К. Использование фосфорного шлака в технологии изготовления специальных бетонов // Известия высш. уч. завед. Строительство. - 1996. - № 4. - С. 59-60

2. А.с. № 1085958 (СССР) Композиция для изготовления строительных изделий/ В.Н. Старчук, Н.Ф. Баранников и др. – Опубликован в Б.И., 1984, № 6

3. Усталостная прочность серных бетонов / Ю.И Орловский, И.В. Маргаль, А.С. Семченков и др. // Бетон и железобетон. - 1998. - № 2. - С. 6-9.