Модифицирование вяжущего композита зольными отходами термической переработки древесины

Как известно, зольные отходы термической переработки древесины и других видов растительного сырья, используемого в качестве энергетического топлива, традиционно находят применение как эффективное минеральное удобрение, хорошо сбалансированное по содержанию основных макро- и микроэлементов, необходимых для полноценного роста и развития растений. При сжигании топлива в котельных установках обычно зольные отходы образуются трех фракций (зола уноса из циклонов, зола уноса из фильтров и подовая зола, представляющая собой зольный остаток), отличающихся как по объему образования, так и по химическому составу и свойствам. Состав и физические свойства (размер частиц, плотность и др.) зольных фракций зависят от многих факторов, включая физические и химические характеристики используемого топлива, параметры работы систем сжигания, технологии очистки топочных газов и др. В литературе весьма подробно приводятся такие сведения в отношении, как самих зол, так и их отдельных фракций. Анализируя зольные отходы как минеральное удобрение, автором работы [1] показано, что зольные отходы содержат экологически активные соединения тяжелых металлов (кадмия, свинца, цинка, меди и др.), концентрация которых увеличивается по мере перехода от зольного остатка к зольной пыли, превышая соответствующие предельные значения. Их избыток в соответствии с требованиями установленных нормативов не позволяет использовать фильтрационную золу для сельскохозяйственных целей, и определяет необходимость ее промышленной переработки. Поэтому поиск эффективных в технологическом и экологическом аспектах утилизации таких зольных отходов является актуальной задачей.

В настоящее время достаточно интенсивно развиваются как традиционные направления использования зольных отходов термической переработки энергетического сырья в качестве удобрения, эффективного и безопасного в экологическом аспекте, так и наукоемкие, связанные с получением высокотехнологичных сорбционных [2-4] и строительных композитов [5-8]. Как показано в [2-4], сорбенты на основе древесных опилок и зол не уступают по эффективности обычно используемым органоминеральным (торф) [9], неорганическим [10, 11], синтетическим [12] и другим сорбентам. Большой интерес представляют строительные композиты, полученные из доступных и отличающихся дешевизной древесных отходов [13].

Цель настоящей работы – исследование зольных отходов в качестве компонента сырьевой шихты для получения силикатного кирпича. В лабораторных исследованиях использована фракция золы уноса из циклонов, образующейся при сжигании в котельных установках коры и неиспользуемых отходов шпона натуральной чистой древесины. Физико-механические свойства и химический состав, отобранных образцов золы исследованы в соответствии с требованиями ГОСТ 10538-87 «Топливо твердое. Методы определения химического состава золы». По гранулометрическому составу зола древесная в основной своей массе представлена смесью фракций класса крупности 0,08 – 2,0 мм. Химический состав исследованных образцов золы древесной, высушенной в сушильном шкафу при температуре 100 ± 5 ^оС до воздушно-сухого состояния, определялся следующим соотношением компонентов, мас.%:

9,93 SiO₂; 2,31 Al₂O₃; 38,68 CaO; 12,85 MgO; 3,75 Fe₂O₃; 0,44 ТiO₂; 2,58 К₂O; 0,45 Na₂O; 7,44 SO₃; 0,4 РО₄^3-; 17,11 п.п.п (потери при прокаливании).

В основной своей массе зола представлена кремнеземсодержащими составляющими с повышенным по сравнению с составом природных кремнеземов содержанием соединений кальция и магния. Это решает задачу при ее использовании в составе сырьевой смеси для изготовления силикатного кирпича снижения многокомпонентности состава с одновременным сохранением высокого качества продукции и расширения сырьевой базы производства за счет использования отхода. Результаты исследований относительно характера влияния добавки золы древесной на механические свойства силикатного кирпича приведены в таблице. Результаты испытаний указывают на наличие модифицирующего эффекта при введении добавки золы древесной в состав сырьевой шихты. Образцы силикатного кирпича, изготовленные из сырьевой смеси с добавкой золы древесной, отвечают требованиям ГОСТ 379-2015 «Кирпич и камни силикатные. Технические условия».

Таблица

Результаты физико-механических испытаний

Установлено, что при использовании золы древесной в качестве компонента сырьевой шихты для получения силикатного кирпича достигается значительное снижение энергозатрат при сохранении эксплуатационных характеристик изделий. Добавка золы в состав силикатной смеси до 45 мас.% при совместном помоле сырьевой смеси, включающей известь, песок и золу древесную, улучшает не только зерновой состав силикатной смеси и формуемость кирпича-сырца, но и участвует в образовании гидросиликатов кальция. Прочность камня при этом обеспечивается не физическим сцеплением гидратных новообразований вяжущего с зернами заполнителя, а путем химического взаимодействия извести и кварцевого песка с образованием гидросиликатов кальция по реакции

хСа(ОН)₂+SiO₂+mН₂О → хCaO·SiO₂·nН₂О.

Таким образом, подтверждена целесообразность практического использования зольных отходов термической переработки древесины при производстве силикатного кирпича. Данная добавка обладает модифицирующими свойствами, что обосновывает ее применение в составе сырьевой смеси.

Результаты исследования получены в рамках выполнения государственного задания (Задание № 11.9503.2017/8.9).