способ изготовления изделий из экологически безопасного строительного раствора

Формула изобретения

Способ получения изделий из экологически безопасного строительного раствора, включающий получение указанного раствора смешением минерального вяжущего и содержащих тяжелые металлы и токсиканты шлаков или зол ТЭЦ, или ГРЭС, или металлургических или мусоросжигательных заводов, затворением их водой и последующее твердение, отличающийся тем, что проводят СВЧ-обработку полученного раствора облучением в процессе его транспортировки на фторопластовом участке трубопровода при частоте 2450 МГц с мощностью излучения 5-10 кВт при температуре 80°С или СВЧ-обработку полученного раствора облучением в формах или монолите при частоте 460, или 915, или 2450 МГц с мощностью излучения 0,7-5 кВт при 100% влажности и температуре 20 или 80°С, а твердение проходит при 20°С и 100% влажности в течение 48 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительным растворам (бетонам), включающим добавки шлаков и зол - содержащих тяжелые металлы и токсиканты отходов ТЭЦ, ГРЭС, металлургических и мусоросжигательных заводов.

Известны строительные растворы, содержащие добавки шлаков и зол (1), однако ввиду токсичности последних в настоящее время они применяются только для специальных целей, например для цементирования обсадных колонн нефтяных и газовых скважин.

Применение в строительных растворах добавок шлака и золы требует их обязательной нейтрализации, для чего в их состав вводят специальные добавки - нейтрализаторы, что усложняет технологию их приготовления и повышает стоимость продукции.

Известен способ обезвоживания и переработки токсичных отходов мусоросжигания (2). По этой технологии токсичные золы и шлаки на 1-ой стадии работ непосредственно на мусоросжигательном заводе подвергают специальной обработке негашеной известью, при которой осуществляется химическая нейтрализация в них тяжелых металлов. Далее этот материал на 2-ой стадии работ омоноличивается портландцементом в агломерат - искусственный капсулированный гранулят, который снижает степень выделения диоксинов, благодаря чему раствор может применяться в дорожном строительстве и благоустройстве для производства тротуарной плитки, бортового камня, малых архитектурных форм и др. изделий из бетона (2).

Недостатком данного способа является усложнение и удорожание технологии и, главное, низкая эффективность нейтрализации в шлаках и золах тяжелых металлов и диоксинов, поскольку и при смешивании зол и шлаков с негашеной известью, и при грануляции полученного продукта с введением в состав смеси цемента имеет место не химическое взаимодействие активных элементов шлака и золы с минеральным вяжущим, а их "механическое" блокирование в объеме твердеющего раствора.

Необходимо химическое связывание активных элементов этих промышленных отходов в твердые растворы минералов, образующих цементный камень.

Наиболее близким к заявленному является способ изготовления изделий из экологически безопасного строительного раствора, включающий измельчение зол и шлаков различных производств, в том числе мусоросжигательных заводов, с детоксикантами - ионитами, хелатолигандами и водопонижающей добавкой, обработку водным раствором крепителя из жидкого стекла и ортофосфорной кислоты, смешение обработанных шлаков и зол с цементом и детоксикантами, затворение водой, укладку полученного раствора в формы, выдержку в течение 2-3 часов при температуре 20-40°С и тепловлажностную обработку (3).

Недостатком способа является сложность технологии и необходимость обработки шлаков и зол специальными добавками, что повышает стоимость продукции.

Задачей изобретения является упрощение технологии и снижение стоимости строительных растворов при высокой эффективности нейтрализации тяжелых металлов и диоксинов.

Задача решается тем, что в способе получения изделий из экологически безопасного строительного раствора, включающем получение указанного раствора смешением минерального вяжущего и содержащих тяжелые металлы и токсиканты шлаков или зол ТЭЦ или ГРЭС, или металлургических или мусоросжигательных заводов, затворением их водой и последующее твердение, проводят СВЧ-обработку полученного раствора облучением в процессе его транспортировки на фторопластововм участке трубопровода при частоте 2450 МГц с мощностью излучения 5-10 кВт при температуре 80°С или СВЧ-обработку полученного раствора облучением в формах или монолите при частоте 460 или 915,или 2450 МГц с мощностью излучения 0,7-5 кВт при 100% влажности и температуре 20°С или 80°С, а твердение проходит при 20°С и 100% влажности в течение 48 часов.

Сущность предлагаемого способа получения экологически безопасных строительных растворов с добавками шлака и золы состоит в следующем. Сначала определяют содержание основных оксидосодержащих элементов шлака и золы (табл.1) и содержание в них тяжелых металлов и токсикантов (табл.2а), после чего определяют конечный фазовый состав минералов цементного камня, который должен быть получен при заданном режиме твердения, на основе того или иного вяжущего с добавками данного шлака и золы (табл.3). Затем, с учетом стехиометрии и фактического содержания элементов в исходных и конечных продуктах, определяют необходимый качественный и количественный состав строительного раствора (бетона) (табл.4), после чего готовят строительный раствор обычным способом. Отличие предложенного способа в том, что смешанные между собой и затворенные водой компоненты раствора либо подвергают СВЧ-обработке в заданном режиме на частотах 460 или 915, или 2450 МГц с мощностью излучения 0,7-5 кВт при стационарном нагреве твердеющего в формах или монолите раствора во влажной атмосфере при 100% влажности при температуре 20°С либо при температуре 80°C с последующим твердением в течение 48 часов при температуре 20°С, либо СВЧ-обработке в процессе транспортировки на фторопластовом участке трубопровода при частоте излучения 2450 МГц и мощности СВЧ-генератора 5-10 кВт при температуре 80°C с последующим формованием изделий и твердением при 20°С и влажности 100% в течение 48 часов.

Это приводит к тому, что в результате протекания химических реакций замещения ионов, атомов и комплексных соединений тяжелых металлов и токсикантов на атомы, ионы и комплексы структурообразующих минералов, формирующих цементный камень в данных условиях на их основе, возникает ряд твердых растворов замещения с Са и Ti-Ca гидросиликатами, гидроалюминатами, гидроалюмоферритами и минералами амфитоловой группы, в которых атомы тяжелых металлов и токсикантов химически "связаны" в малоактивные (с точки зрения токсичности) соединения (табл.3), являющиеся экологически безопасными по величине и ПДК (предельно допустимым концентрациям) (табл.2б).

Пример.

В работе применялись шлак и зола состава, представленного в табл.1.

Во взятых шлаке и золе были определены концентрации тяжелых металлов (табл.2а); видно, что они значительно больше, чем ПДК для этих веществ. Затем были определены основные конечные минералы цементного камня, которые должны возникнуть при СВЧ-обработке того или иного вяжущего (в данном случае портландцемента марки "400") с мелким заполнителем, например кварцевым песком, добавками данного шлака и золы (взятых в соотношениях, указанных в табл.4) с учетом стехиометрии и фактического содержания элементов в исходных и конечных продуктах (табл.3).

Следующая операция - приготовление строительного раствора в смесителе или бетономешалке обычным способом (составы растворов - табл.4), после чего приготовленный раствор подвергается СВЧ-обработке в заданном режиме с мощностью излучения 700 Вт - 5 кВт, либо при стационарном нагреве твердеющего в формах раствора (2 цикла продолжительностью 35 минут каждый в режиме: 5 минут работа - 30 минут перерыв) во влажной атмосфере при 100% влажности при температуре 80°C с последующим твердением в течение 48 часов при температуре 20°С, либо при непрерывной или импульсной обработке строительного раствора в процессе его транспортировки на фторопластовом (тефлон - 4) участке растворопровода диаметром 100 мм и длиной 9,6 м при частоте излучения 2450 МГц и мощности СВЧ-генератора 5-10 кВт при температуре 80°C с последующим твердением образцов при температуре 20°С и влажности 100% в течение 48 часов (контрольные образцы СВЧ-обработке не подвергались). Составы растворов и значения прочности, полученных на их основе образцов-цилиндров диаметром 40 мм цементного камня представлены в табл.4, значения содержания тяжелых металлов в цементном камне, шлаке и золе продуктов мусоросжигания (ТБО) до (табл.2а) и после (табл.2б) их СВЧ-обработки в составе строительного раствора состава (объемные части): цемент М-400 - 40; шлак - 20; зола - 15; песок кварцевый - 15; вода - 20.

В таблице 3 фазовый состав минералов цементного камня на основе портландцемента М-400 с добавками содержащих тяжелые металлы зол и шлаков - продуктов мусоросжигания ТБО - после их СВЧ-отверждения в течение 48 часов.

Характер изоморфных замещений в кристаллах структурообразующих минералов: твердые растворы с гидросиликатами, гидроалюминатами и гидроалюмоферритами кальция, твердые растворы с минералами амфиболовой группы, вкрапления в минералах типа базальта (локально), твердые растворы титаногидросиликатов кальция.

Таблица 1
Способ получения экологически безопасных строительных растворов
№ п/п	Показатель	Содержание (масс.%)
		шлаки	золы (котельная, газоочистки)
1	Диоксид кремния, SiO2	44,00-58,90	27,00-58,00
2	Диоксид титана, TiO	0,20-0,95	0,20-1,25
3	Оксид алюминия, Al2 О3	6,00-9,35	7,65-25,10
4	Оксид железа, Fe2О3	9,80-17,35	2,70-6,35
5	Оксид кальция, СаО	6,90-20,20	15,80-27,50
6	Оксид магния, MgO	0,70-3,85	0,65-4,65
7	Оксид натрия, Na2O	4,60-8,25	0,80-8,00
8	Оксид калия, К2O	1,00-1,30	1,30-7,40
9	Триоксид серы, SO3	0,50-2,80	1,80-7,90
10	Оксид фосфора, P2O5*	1,80-3,90	0,85-3,15
11	Потери при прокаливании	1,80-8,75	2,35-11,65
* возможный источник диоксинов

Таблица 2а
Способ получения экологически безопасных строительных растворов.
№ п/п	Тяжелые металлы и токсиканты	ПДК мг/кг	Шлак ТБО (исходный)		Зола ТБО (исх.)
			мг/кг	Превышение ПДК в n раз	мг/кг	Превышение ПДК в n раз
1	2	3	4	5	6	7
1	Литий, Li	2,2	-	-	4,4	2,0
2	Ванадий, V	150,0	60	-	40,0	-
3	Висмут, Bi	0,3	8,0	26,7	10,0	33,3
4	Кадмий, Cd	0,5	5,0	10,0	23,0	46,0
5	Кобальт, Со	5,0	11,0	2,2	6,0	1,2
6	Никель, Ni	24,0	80,0	3,3	46,0	1,9
7	Медь, Cu	33,0	1290,0	39,1	510,0	15,5
8	Марганец, Mn	150,0	1300,0	8,7	804,0	5,4
9	Мышьяк, As	2,0	4,0	2,0	9,4	4,7
10	Олово, Sn	114,0	300,0	2,6	300,0	2,6
11	Ртуть, Hg	2,1	0,3	-	0,01	-
12	Свинец, Pb	32,0	1100,0	34,4	540,7	17,0
13	Фтор, F	2,8	387,6	138,4	355,4	126,9
14	Хром, Cr	6,0	150,0	25,0	103,0	17,2
15	Цинк, Zn	100,0	4230,0	42,3	3873,0	38,7
16	Хлор, Cl	-	-

Таблица 2б
Способ получения экологически безопасных строительных растворов.
№ п/п	Тяжелые металлы и токсиканты	ПДК мг/кг	Содержание тяжелых металлов в цементном камне через 2 суток после его СВЧ-отверждения и выдержки в течение 48 часов		Содержание тяжелых металлов в цементном камне аналогичного состава без СВЧ-отверждения через 48 часов (твердение при 80°С)		Содержание тяжелых металлов в цементном камне того же состава без СВЧ-отверждения через 48 часов (твердение при 80°С)
			мг/кг	% от ПДК	мг/кг тв.ф. добавок шлак + зола	Превышение ПДК в n раз	мг/кг цем. камня	Превышение ПДК в n раз
1	2	3	8	9	10	11	12	13
1	Литий, Li	2,2	0,7	31,8	4,0	1,8	1,3	0,5
2	Ванадий, V	150,0	76,5	51,0	96	-	28,8	-
3	Висмут, Bi	0,3	0,25	83,3	16,5	55,0	4,9	16,5
4	Кадмий, Cd	0,5	0,40	80,0	26,0	52,0	7,8	15,6
5	Кобальт, Со	5,0	3,7	74,0	15,0	3,0	5,0	1,0
6	Никель, Ni	24,0	21,7	90,4	115,0	4,8	38,36	1,6
7	Медь, Cu	33,0	113,0	342,4	1650,0	50,0	550,0	16,6
8	Марганец, Mn	150,0	140,5	93,6	1910	12,7	636,0	4,2
9	Мышьяк, As	2,0	13,4	80,0	12,8	6,4	4,3	2,1
10	Олово, Sn	114,0	97,0	85,1	560,0	4,9	186,7	1,6
11	Ртуть, Hg	2,1	0,30	14,3	0,3	-	0,1	-
12	Свинец, Pb	32,0	27,5	85,9	1480,7	46,3	493,6	15,4
13	Фтор, F	2,8	1,7	60,7	528,0	188,6	176,0	62,7
14	Хром, Cr	6,0	4,8	80,0	171,0	28,5	57,0	9,5
15	Цинк, Zn	100,0	97,7	97,7	7450,0	74,5	2483,0	24,8
16	Хлор, Cl	-			-	-	-	-

Таблица 3а
Способ получения экологически безопасных строительных растворов.
а) Безводные соединения
1	2	3	4	5
№ п/п	Тяжелые металлы и токсиканты	Основной тип включающих минералов-матриц	Структурная формула	Минералы
1.	Cr VI CrIII	Гранаты, гидрогранаты,	Са3Cr 2[SiO4]3	Уваровит
2.	Cr, Mn	пироксены	LiAl[Si2O6]Cr, Mn	Сподумен
3.	V, Pb	Комплексные соединения	Pb5(VO 4)·Cl	Ванадинит
	As		Pb5(PO 4)3·Cl	Пироморфит
	Bi, Cu, Pb		Pb 5(AsO4)3·Cl	Миметизит
	Co, As, S,		CuPbBiS3	Айкинит
	Fe, Ni		CoAsS	Кобальтин
4.	Cr, Mn, F	Амфиболы	60(Ca, Ba, Sr)3·(Р3Э) 7·(O, OH)2·[SiO 4]5·(PO4 )·F, Cl·СО3·(Cr, U)	Апатит
5.	Zn	Базальты	-	-
6.	F, Ni, Sr, Nb	Титаносиликаты	(Ca, Na, Sr)3·(Ti, Ni, Nb, Zr, Fe)·[Si2O 7]·[O, OH, F]2	Са-ринкит

Таблица 3б
Способ получения экологически безопасных строительных растворов. б) кристаллогидраты
№ п/п	Тяжелые металлы и токсиканты	Структурная формула	Минерал
7.	V	(Cu, Ca, Ва) 3[VO4]2Cu, Ca[OH]	Са-фольбортит
		СаО·V 2O32-4Н2O	россит
8.	Bi, V	Bi 2O3·CO2 ·(1-3)Н2O	бисмутит
		Bi2O3 ·2VO2·3H2 O	ураносферит
9ю	Cd	CdCO 3	оттавит
	Co, Cu, Mn,	2CuО·0,5Со2O3 ·Mn2O3·4Н 2O	любецкит
10.	As	СоСо 3	сферокобальтит
		(Ca, Co, Mg)3·As2O 8·2H2O	розелит
	Ni, As	(Ni, Mg, Ca)[AsO4 ]2·8H2O	кабрерит
11.		2NiO·2MgO·3SiO 2·6H2O	гентит
		(Mg, Ni, Fe)O·2Al 2O3·3SiO2 ·4H2O	мауфит
	Mn, As, Zn, P	6MnO·2Mn(OH, Cl)2 ·6SiO2·3H2 O	фриделит
		2СаО·Al 2O3·Mn2 O3·4SiO2	тинценит
		5MnO·2Al 2O3·5SiO2 ·3Н2O	сюрсассит
12.		H2(Mn, Ca)6·Si 6O19·3H2 O	инезит
		7MnO·Al 2O3·8SiO2 ·6H2O	ганофиллит
		21(Mn, Mg, Zn)O·3SiO2 -1,5As2O3·10H 2O	макговернит
		9MnSiO 2·Mn3·As 2O8·7H2 O	шаллерит
		6MnO·Mn 2[(OH)2·As2 O3]·6SiO2·3H 2O
		Ca 2·Mn·As2O 8·2H2O	брандтит
		(Mn, Fe, Ca)2 ·Al(OH)(PO4)2 ·H2O	рошерит
13.	Sn	Н4·Са·Sn·Si 3О11	стокезит
	Pb, Mn	4(Mg, Pb)O·4(Mg, Pb)(OH) 2·4SiO2·H 2O	молибдофиллит
14.		2(Mn, Pb)O·3(Fe 2O3, MnTiO3 )	магнитоплюмбит
		PbO·CuO·Fe 2O3·2SO3 ·4Н2O	биверит
15.	Cr	(Cr, Fe, Al)4[Si4 O10](OH)8·2H 2O	волконскоит
		(Mg, Fe) 5·(Al, Cr)[AlSi3O 10](OH)8	кеммерерит
	Zn, Mn, Cu,	8ZnO·2Al2O 3·5SiO2·11H 2O	фрепонтит
	As, (PO4)	Zn2Mn[SiO 4]·[OH]2	ходкинсонит
16.		Zn3[Si 4O10][OH]2·nH 2O	соконит
		5(Ca, Cu, Zn)O·AsO5·2H2 O	сташицит
		3ZnO·CuO·3As 2O5·2H2 O	бартит
		(Cu, Zn) 3·(PO4)2 ·3(Cu, Zn)(OH)2·3H 2O	кипушит

Таблица 4
Способ получения экологически безопасных строительных растворов.
№ п/п	Состав строительного раствора	№№ образцов и режим отверждения	Прочность на сжатие, кг	Прочность на сжатие, МПа
1.	Раствор №1:	обр. 1.1. - с СВЧ-обработкой
	цемент М-400 - 40 объемных		4350	12,2
	частей
	зола - 15 объемных частей
	шлак - 20 объемных частей
	песок -15 объемных частей	обр. 2.1. - без СВЧ-обработки	3420	9,6
	вода - 20 объемных частей
2.	Раствор №2:	обр. 1.2. - с СВЧ-обработкой
	цемент М-400 - 40 объемных		3725	10,4
	частей
	зола - 15 объемных частей
	шлак - 20 объемных частей
	песок - 15 объемных частей	обр.2.2. - без СВЧ-обработки	3550	9,9
	вода - 20 объемных частей
	клей ПВА - 4 объемные части
3.	Раствор №3:
	цемент М-400 - 40 объемных частей	обр. 3.2. - с СВЧ-обработкой	4010	11,2
	песок - 50 объемных частей
	вода - 20 объемных частей	обр. 3.1. - без СВЧ-обработки	3370	9,4
4.	цемент М-400 - 40 объемных частей	обр.4.1. - с СВЧ-обработкой	4005	11,2
	зола -15 объемных частей
	шлак - 20 объемных частей
	вода - 20 объемных частей	обр. 4.2. - без СВЧ-обработки	3350	9,3