Технология водостойких теплоизоляционных материалов методом пропитки

Г. А. Медведева, Р. Т. Ахметова, Ю. Н. Пятко,

В. Ф. Строганов, В. А. Ефимова

ТЕХНОЛОГИЯ ВОДОСТОЙКИХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

МЕТОДОМ ПРОПИТКИ

Ключевые слова: композиционные материалы, сера, золошлаковые отходы ТЭЦ.

Разработаны и исследованы технологии пропитки расплавом серы композиционных материалов из крупнотоннажных отходов нефтегазового комплекса и теплоэнергетики. Оптимизированы составы материалов. Показано, что использование модифицирующих добавок, улучшающих реологические свойства серного расплава, существенно повышает прочностные, водостойкие и теплоизоляционные свойства получаемых материалов, что позволяет расширить область применения разработанных материалов и использовать их в качестве теплоизоляции в наружных стенах.

Keywords: composition materials, sulfur melt, ash and slag wastes.

The technology of composite materials from sulfur and ash wastes is developed. It is shown that the use of modifying additives that improve the rheological properties of molten sulfur, significantly increases the strength, water-resistant and insulating properties of the materials, which allows to extend their field of application as isolators in exterior constructions.

Значительную долю промышленных отходов составляют золошлаковые отходы (ЗШО) теплоэнергетики. Ежегодно в России образуется около 70 млн. т. ЗШО. Существенной проблемой является нахождение путей их применения -многотоннажные золошлаковые отходы тепловых электростанций занимают значительные площади и создают угрозу экологической безопасности республики Татарстан. Использование их в качестве компонентов силикатных бетонов ограничено ввиду высокопористой структуры получаемых материалов, которая определяет их низкие показатели по водостойкости [1]. Прочность таких материалов также невысока.

Устранить указанные недостатки можно, сформировав на поверхности изоляционный слой из гидрофобного и прочного материала.

Одним из эффективных методов повышения стойкости конструкций к различным агрессивным воздействиям среды и, следовательно, повышения их долговечности является уплотнение поровой структуры строительных материалов пропиткой. Для этой цели используют довольно разнообразные пропиточные композиции. В последнее время большое внимание уделяется изучению технологии пропитки строительных материалов мономерами типа стирола, метилметакрилата и др. [2-3].

Мономеры, применяемые для пропитки бетонов, наряду с положительными свойствами (низкая вязкость, высокая прочность после полимеризации и т. п.) обладают такими отрицательными свойствами, как летучесть, взрывоопасность паров, токсичность, которые в некоторых случаях сильно усложняют практическое применение этого способа. Кроме того, мономеры очень дороги. Дефицитность этих материалов в промышленности ограничивает их использование в строительстве. Поэтому изыскание новых, более дешевых и доступных для строительства пропиточных композиций является важной и актуальной задачей. Одним из решений

такой задачи является использование расплава серы для пропитки строительных материалов.

Известны серные композиционные материалы с высокими водостойкими прочностными свойствами [4], а также технологии получения водостойких покрытий путем пропитки в серном расплаве [5]. Таким образом, можно повысить водостойкие и прочностные свойства древесины, керамики, бетона. Однако в литературе отсутствуют сведения по пропитке в серном расплаве цементных бетонов, модифицированных золошлаковыми отходами. Такая поверхностная обработка, на наш взгляд, позволила бы существенно повысить водостойкие и прочностные свойства модифицированных силикатных бетонов и, тем самым, расширить области утилизации золошлаковых отходов теплоэнергетики и серных отходов нефтеперерабатывающего комплекса.

В работе использовались следующие материалы:

- цемент, класс прочности 42,5 Н (ГОСТ 31108-2003. Цементы общестроительные. Технические условия);

- сера - отход Нижнекамского нефтеперерабатывающего завода. По химическому составу эти отходы содержат 99,9% серы, т.е. практически представляют собой товарный продукт;

- строительный песок (ГОСТ 8736-93. Песок для строительных работ);

- золошлаковые отходы ТЭЦ-2 г.Казани следующего состава (масс.%):

БЮ2 - 47,7-52,2;

А1203 +ТЮ2 - 21,24-25,28;

Са0+ МдО - 4,3;

Рв203 - 5,2-5,9;

Р20 - 1,84-19,03;

Б03 - 0,2.

- стекло натриевое жидкое

(ГОСТ 13078-81).

Образцы композиций готовили путем смешения исходных компонентов (цемент: песок:

ЗШО) в заданных соотношениях и заливкой в формы размером 2х2х6 см. Оптимальным с точки зрения прочностных свойств материала, является соотношение цемент:наполнитель (песок и ЗШО), равное 1:3.

После распалубки форм полученные изделия сушили в сушильном шкафу в течение часа при температуре 1000С и затем осуществляли пропитку в серном расплаве при температуре 1400С.

Очевидно, что для повышения прочностных и водостойких свойств необходимо получить более глубокий защитный серный слой. Пропитывающие свойства серного расплава зависят от его вязкости. Термическое поведение серного расплава известно. Так, при нагревании серы до 1590С расплав имеет наименьшую вязкость, обусловленную

раскрыванием молекулы серы и образованием восьмиатомных серных радикалов. Дальнейшее повышение температуры инициирует

полимеризацию и образование полимерной серы с числом атомов серы в цепи до миллиона. Вязкость резко повышается и такой расплав не может проникать в бетон.

При введении модификатора жидкого стекла вязкость серного расплава несколько понижается в широком температурном интервале, что свидетельствует о существовании короткоцепных радикалов и отсутствии полимеризации даже при более высоких температурах. Таким образом, происходит повышение пропитывающей способности расплава в более широком температурном интервале и на поверхности бетона формируется более плотный защитный слой.

Результаты испытаний полученных материалов на физико-механические показатели представлены на рисунках.

На рисунке 1 представлены графики зависимости предела прочности при сжатии исходных образцов без пропитки, пропитанных серой и образцов пропитанных серой, модифицированных силикатом натрия. По сравнению с исходными образцами из силикатного бетона прочность пропитанных в серном расплаве образцов повысилась. Так, образцы бетона, наполненного песком, имеет прочность при сжатии 32,5 МПа, то есть после пропитки прочность повысилась в 9 раз. Значения прочности при сжатии образцов цемент: ЗШО после пропитки также стали выше повысилась в 4 раза).

Введение в расплав добавки силиката натрия положительно сказывается свойствах конечных образцов, содержащих

модифицирующей

на прочностных материалов. Прочность

золошлаковые отходы,

увеличивается и принимает максимальное значение при содержании ЗШО 66% (рис.1). По всей видимости, при этом количестве ЗШО в структуре образца формируются поры таких размеров, при которых модифицированный серный расплав может свободно проникать в бетон. За счет этого образуется беспористая плотная структура и механические свойства изделия повышаются.

Рис. 1 - Зависимость прочности образцов от процентного содержания ЗШО: 1 - без пропитки серой; 2 - пропитанные чистой серой; 3 -образцы пропитанные в 8+Ка28Ю3 - 1%; 4 -образцы пропитанные в 8+Ка28Ю3 - 3%

На рис. 2 представлены графики

зависимости водопоглощения исходных образцов без пропитки, пропитанных серой и образцов пропитанных серой, модифицированных силикатом натрия.

Рис. 2 - Зависимость водопоглощения образцов от процентного содержания ЗШО: 1 - без пропитки серой; 2 - пропитанные чистой серой; 3 - образцы пропитанные в Б+Ма28103 - 1%; 4 -образцы пропитанные в Б+Ма28103 - 3%

Можно наблюдать, что при введении модифицирующей добавки - силиката натрия, водостойкие свойства строительных

композиционных материалов повышаются.

Водопоглощение образцов бетона на золошлаковом наполнителе, пропитанных в расплаве серы, понизилось до 12%. А водопоглощение образцов пропитанных в модифицированном расплаве серы приближается к нулю.

Плотность силикатного бетона,

модифицированного золошлаковыми отходами, после пропитки также повышается (рис.3). Если плотность исходных образцов составляет 1,1-1,7 г/см3, пропитанных в серном расплаве 1,8-2,2 г/см3, то в модифицированном серном расплаве 2-2,6 г/см3.

Испытания на теплофизические свойства (рис. 4) показали уменьшение теплопроводности образцов с повышением доли в них ЗШО.

12 ^

1 -I-----------Т------------

0°о 33% 66° о 99°о

Содержание ЗШО в образце, %

Рис. 3 - Зависимость плотности образцов от процентного содержания ЗШО: 1 - без пропитки серой; 2 - пропитанные чистой серой; 3 -образцы пропитанные в 8+Ма2БЮ3 - 1%; 4 -образцы пропитанные в 8+Ма2БЮ3 - 3%

Как следует из зависимости «теплопроводность - количество ЗШО в образце», с повышением доли золошлаковых отходов теплопроводность бетона существенно понижается (с 0, 187 до 0,16 Вт/(м оС) - для образцов исходного бетона и с 0,2658 до 0,1066 Вт/(м оС) - для образцов, пропитанных в серном расплаве,

модифицированном Ма2ЭЮ3).

0.2S

0.08 -I-------,---------т--------,

0°о 33% 66°о 99° о

Содержание ЗШО в образцах, %

Рис. 4 - Зависимость теплопроводности образцов от процентного содержания ЗШО: 1- образцы пропитанные в 8+Ма2БЮ3; 2 -образцы без пропитки серой

На микрофотографиях образцов,

пропитанных в серном расплаве, отмечается появление на поверхности светлого слоя, обусловленного формированием плотного

защитного слоя серы. В приповерхностном слое отмечается появление зеленоватой окраски, характерной для сульфидов, что можно объяснить частичным химическим взаимодействием серы и

компонентов цемента (например, гидроксида

кальция) с образованием сульфида кальция. Образцы обладают покрытием с большей глубиной пропитки (толщиной до 1см), поэтому имеют повышенную прочность, плотность и низкое водопоглощение.

Рентгенофазовыми исследованиями

установлено, что поверхностное покрытие состоит, главным образом, из кристаллического кварца, ромбической серы и сульфида кальция.

Таким образом, при введении модификатора

- жидкого стекла, уменьшается вязкость серного расплава, происходит повышение пропитывающей способности расплава в более широком температурном интервале, а на поверхности бетона формируется более плотный защитный слой.

Введение в состав цементного бетона золошлаковых отходов позволяет улучшить теплоизоляционные свойства бетона, что объясняется формированием высокопористой структуры. Такие материалы имеют крайне низкую прочность и высокое значение водопоглощения, что делает их не пригодными для использования в качестве теплоизоляционных материалов в строительстве. Технология получения защитного водостойкого и упрочняющего покрытия на бетоне методом пропитки в серном расплаве, модифицированном Na2SiO3 существенно

повышает прочностные, теплоизоляционные и водостойкие свойства материалов, что позволяет расширить область применения разработанных материалов, например, в качестве теплоизоляции в наружных стенах.

Литература

1. В.М. Ананьев, В.Н. Левченко, Использование золы-уноса в качестве добавки при производстве тяжелого бетона, Известия ВУЗов. Строительные материалы, № 11, 32-33 (2006).

2. В.В. Патуроев, Полимербетоны. Стройиздат, Москва, 1987. 286 с.

3. Ю.М. Баженов, Бетонополимеры. Стройиздат, Москва, 1983. 472 с.

4. А.А. Юсупова, Р.Т. Ахметова, В.А. Первушин, А.И. Хацринов, Повышение водостойких свойств композиционных материалов пропиткой в модифицированном серном расплаве, Вестник Казанского технологического университета, №17, 102106 (2011).

5. Е.В. Королев, А.П. Прошин, В.Т. Хрулев, Строительные материалы на основе серы, Изд-во Морд. ун-та, Пенза-Саранск, 2003. 372 с.

© Г. А. Медведева - канд. техн. наук, доц. каф. теплоэнергетики КГАСУ, medvedevaga79@mail.ru; Р. Т. Ахметова - д-р техн. наук, проф. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ, rachel13@list.ru; Ю. Н. Пятко - асп. той же кафедры; В. Ф. Строганов - д-р хим. наук, проф., зав. каф. химии и инженерной экологии в строительстве КГАСУ; В. А. Ефимова - препод. той же кафедры.