Материал: Производство модифицированного арболита

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%, горючих сланцах - 50-80%, топливном торфе - 2-30%.

В производстве строительных материалов обычно используются золы сухого удаления и золошлаковая смесь из отвалов. Область применения золошлакового сырья в производстве строительных материалов чрезвычайно разнообразна. Наиболее значительными направлениями использования топливных зол и шлаков являются дорожное строительство, производство вяжущих, тяжелых и ячеистых бетонов, легких заполнителей, стеновых материалов. В тяжелых бетонах золы используют, в основном, в качестве активной минеральной добавки и микронаполнителя, что позволяет снизить расход цемента на 20-30%. В легких бетонах на пористых заполнителях золы применяют не только как добавки, снижающие расход цемента, но и как мелкий заполнитель, а шлаки в качестве пористого песка и щебня. Золы и шлаки используются также для изготовления искусственных пористых заполнителей легких бетонов. В ячеистых бетонах зола применяется как основной компонент или добавка для снижения расхода вяжущего.

Все большее применение в промышленности строительных материалов находят отходы угледобычи и углеобогащения. На углеобогатительных фабриках угольных бассейнов ежегодно образуются миллионы тон отходов, которые с успехом могут быть использованы для получения пористого заполнителя и кирпича. Использование отходов углеобогащения в качестве топливной и отощающей добавки при изготовлении керамических изделий позволяет сократить расход условного топлива на 50-70 кг на 1000 шт. кирпича и повысить его марку. При строительстве дорог отходы угледобычи могут широко использоваться в конструкции дорожной одежды.

Ценнейшее сырье для арболитовых изделий представляют собой отходы горнорудных предприятий и предприятий нерудной промышленности. Можно привести немало примеров эффективного использования вскрышных пород, отходов обогащения руд, отсевов дробления как сырья для получения вяжущих, автоклавных материалов, стекла, керамики, фракционированных заполнителей. Эксплуатационные расходы на получение 1 м3 щебня из отходов горнорудных предприятий в 2-2,5 раза ниже, чем на добычу его из карьеров.

Значительным выходом отходов, представляющих интерес для производства арболитовых изделий, характеризуется химическая промышленность. Основными из них являются фосфорные шлаки и фосфогипс. Фосфорные шлаки - отходы при возгонке фосфора в электропечах - перерабатываются, в основном, в гранулированные шлаки, шлаковую пемзу и литой щебень. Гранулированные электротермофос-форные шлаки близки по структуре и составу к доменным и так же с высокой эффективностью могут использоваться в производстве цементов. На их основе разработана технология шлакоситаллов. Использование фосфорных шлаков в производстве стеновой керамики позволяет повысить марку кирпича и улучшить другие его свойства.

Потребности промышленности строительных материалов в гипсовом сырье практически в полной мере можно удовлетворить за счет гипсосодержащих отходов промышленности и, в первую очередь, фосфогипса. К настоящему времени разработан ряд технологий получения строительного и высокопрочного гипса из фосфогипса, реализованных пока недостаточно. Этому в определенной мере способствует существующая ценовая политика на природное сырье, не поощряющая в полной мере альтернативных вторичных сырьевых ресурсов. В Японии, где нет собственных запасов природного гипсового сырья, для получения разнообразных гипсовых изделий фосфогипс используют практически полностью.

Применение фосфогипса эффективно также в производстве портландцемента, где он не только позволяет, как и природный гипсовый камень, регулировать сроки схватывания цемента, но, будучи введенным в сырьевую смесь, выполняет роль минерализатора, снижающего температуру обжига клинкера.

Большая группа эффективных строительных материалов изготавливается из отходов древесины и переработки другого растительного сырья. С этой целью используют опилки, стружку, древесную муку, кору, сучья, костру и т. д. Все древесные отходы можно разделить на три группы: отходы лесозаготовительной промышленности, отходы лесопильного производства и отходы деревообрабатывающей промышленности.

Из отходов древесины, полученных на различных стадиях ее переработки, изготовляют древесноволокнистые и древесно-стружечные плиты, арболит, ксилолит, опилкобетон, ксилобетон, фибролит, королит, древесные пластики. Все эти материалы в зависимости от области применения разделяют на конструкционно-теплоизоляционные, теплоизоляционные и отделочные.

Применение материалов на основе древесных отходов, наряду с высокими технико-экономическими показателями, обеспечивает архитектурную выразительность, хороший воздухообмен и микроклимат помещений, улучшенные теплотехнические показатели.

Значительный объем отходов, которые могут служить вторичными сырьевыми ресурсами, образуется на самих предприятиях строительных материалов. Это, наряду с отходами производства нерудных материалов, стекольный и керамический бой, цементная пыль, отходы производства минеральной ваты и др. Комплексное использование сырья на большинстве предприятий позволяет создавать безотходные технологии, при которых полностью сырьевые ресурсы перерабатываются в строительные материалы.

Существенные резервы для развития сырьевого потенциала в производстве строительных материалов представляют отходы городского хозяйства. В передовых странах мира в составе твердых бытовых отходов превалируют макулатура, полимерные продукты, текстиль, стекло. Имеется многолетний опыт производства на базе этих отходов картона, волокна, строительных пластмассовых изделий и др.

Таким образом широкая утилизация отходов в производстве строительных материалов требует решения ряда организационных и научно-технических проблем. Необходима региональная каталогизация отходов с указанием их полной характеристики. Требует развития стандартизация отходов как сырьевых ресурсов в производстве конкретных строительных материалов. Масштабы утилизации промышленных отходов и отходов городского хозяйства будут расширяться по мере внедрения комплекса технических мер по стабилизации их состава, повышению степени технологической подготовки (снижение влажности, гранулирование и др.).

Огромное значение имеет экономическое стимулирование, включающее вопросы ценообразования, финансирования, материального стимулирования.

Многие из перечисленных веществ можно использовать для производства арболитовых изделий. В данной дипломной работе представлена возможность использования твердых промышленных и бытовых отходов в производстве арболитовых изделий.

2. Программа и методика исследований

.1 Теоретические взгляды на технологию производства и структурообразование арболита

Исследования показали, что сроки твердения арболита и его прочность зависят от химического состава древесины. Установлено, что наиболее вредное воздействие оказывают легкорастворимые простейшие сахара: сахароза, глюкоза, фруктоза и часть гемицеллюлозы, способной в определенных условиях превратиться в эти сахара. В меньшей степени опасны крахмал, танины и смолы. Щелочная среда цементного теста способствует выделению «цементных ядов», количество которых колеблется в значительных пределах в зависимости от породы древесины, условий и сроков ее хранения (табл. 1).

Было выявлено, что воздействие водорастворимых веществ древесины на твердеющий цемент проявляется в стабилизирующем эффекте.

Таблица 2.1- Химический состав некоторых пород древесины, %

«Цементные яды», состоящие в основном из углеводных групп НОСН, осаждаясь на поверхности частичек минералов цемента 3CaOSi02 (трехкальциевый силикат) и ЗСаО-А1203 (трехкальциевый алюминат), образуют тончайшие оболочки, которые затрудняют ход процессов гидратации цемента. Для уменьшения отрицательно, влияния водорастворимых экстрактивных и легкогидролизуемых веществ на прочность деревоцементных композиций были предложены различные способы и технологические приемы. Сущность, которых заключалась в частичном удалении этих веществ из древесного заполнителя, в переводе простейших сахаров в нерастворимые или безвредные для цемента соединения, в ускорении твердения портландцемента (т. е. в сокращении времени их воздействия на процессы твердения) и др.

Невысокая прочность арболита при значительном расходе портландцемента объясняется не только отрицательным влиянием экстрактивных и легкогидролизуемых веществ, содержащихся в древевесном заполнителе (как и в других органических целлюлозных заполнителях), на процессы структурообразования арболита, но также отрицательным влиянием объемно-влажностных деформаций и давления набухания древесного заполнителя в процессе твердения и высыхания арболита при эксплуатации во влагопеременных условиях.

При изготовлении древесной дробленки для производства арболита предпочтение отдается тем породам древесины, в которых меньше водорастворимых экстрактивных веществ, которые являются медлителями твердения портландцемента. Поэтому в производстве арболита в основном применяют дробленку из ели, сосны, пихт. Древесина лиственницы из-за высокого содержания в ней экстрактивных веществ и, как следствие, высокой химической активности считается малопригодной. Кроме того, она подвержена большим влажностным деформациям по сравнению с другими хвойными порода (таблице 2).

Таблица 2.2 - Усушка древесины

* - усушка соответственно поздней и ранней древесины

К специфическим свойствам органического целлюлозного заполнителя, отрицательно влияющим на процессы структурообразования, т.е. прочность и стойкость арболита к влагопеременным воздействиям, относятся: повышенная химическая активность; значительные объемные влажностные деформации и развитие давления набухания; резко выраженная анизотропия; высокая проницаемость; низкая адгезия по отношению к цементному камню; значительная упругость при уплотнении смеси.

Эти специфические свойства древесного заполнителя в разной степени влияют на процессы структурообразования и физико-механические свойства арболита, однако для получения высококачественных изделий и конструкций должны учитываться в их технологии.

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) - твердое вещество без запаха, плотность 1,38-1,40г/см3,температура плавления 255-2650С,температура размягчения 245-2480С, температура стеклования 70-800С.

Полиэтилентерефталат характеризуются высокой прочностью и ударной вязкостью, устойчив к истиранию и многократным деформациям при растяжении и изгибе.

Стекло - вещество и материал, один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, - универсальный в практике человека. Физико-химически - твёрдое тело, структурно- аморфно, изотропно; все виды стёкол при формировании преобразуются в агрегатном состоянии - от чрезвычайной вязкости жидкого до так называемого стеклообразного - в процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья (шихты).

Полиэтилентерефталат и стекло, являются пассивным неволокнистым компонентам, которые оказывают значительное влияние на образование связей в арболите следовательно, и на физико-механические свойства арболита. Очевидно, что размер частиц вводимого неволокнистого компонента будет оказывать определенное влияние на свойства готовой продукции. Однако, представленные теоретические предположения необходимо подтвердить экспериментальным путем. Для этого требуется провести планирование эксперимента, выбрать основные характеристики моделей, разработать математические модели с нормализованными значениями факторов.

2.2 Программа и методика проведения эксперимента

Важнейшей составной частью научного исследования является построение математической модели объекта. Математическая модель - это совокупность математических зависимостей, описывающих функционирование системы. Построенная математическая модель объекта является хорошим инструментом исследования. С ее помощью определяют интересующие исследователя характеристики объекта, результаты влияния на него тех или иных факторов, оптимальные режимы функционирования и способы управления объектом.

Выбор методов исследований. Экспериментальные методы исследований объединяются под названием «планирование эксперимента». Планирование эксперимента - это совокупность приемов, позволяющих исследователю правильно построить эксперимент и получить адекватное описание интересующего процесса.

Для решения поставленных задач используются методы математического планирования с целью получения математического описания процесса. Уравнение математического описания могут быть получены тремя методами: аналитическим, экспериментальным и экспериментально-аналитическим.

Аналитический метод, являющийся наиболее наглядным и достоверным, основан на знании физико-химических и других закономерностей, присущих исследуемому объекту. Поэтому он применим только для хорошо изученных процессов. Экспериментально-аналитический метод заключается в определении неизвестных коэффициентов уравнений, отражающих известные физические явления. Экспериментальные методы получения математических моделей применяют для сложных многофакторных процессов, которые теоретически изучены недостаточно. Математические зависимости, полученные этим методом, не отражают физической сущности объекта, только устанавливают количественные соотношения между его входными и выходными факторами.

Экспериментальные исследования делятся на пассивные и активные. Полученное при пассивном эксперименте уравнение регрессии, справедливо только в том узком диапазоне изменений входных параметров, какой существовал во время проведения эксперимента.

При активном эксперименте объекту наносятся искусственные возмущения и измеряются соответствующие им значения выходных исследуемых параметров. Величина и сочетание возмущающих воздействий вводится в объект в соответствии с определенным планом, оптимальным по какому-либо критерию.

По сравнению с традиционным методом математические планы эксперимента значительно сокращают необходимое число опытов и более равномерно исследуют факторное пространство. Но они могут быть использованы только при условии нормального закона распределения исходных параметров.

Планирование однофакторного эксперимента. Для решения задачи определения наиболее значимых факторов был проведен однофакторный эксперимент для получения математических моделей вида Y=f(X1). Метод обработки результатов эксперимента с целью описания объекта - метод наименьших квадратов . Эксперимент состоит из N опытов, равноотстоящих друг от друга на шаг h. Уравнение в общем виде для однофакторных экспериментов