Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

Василенко М.И., Старостина И.В.
Среди многочисленных экологических проблем настоящего времени остро стоят проблемы загрязнения окружающей среды техногенными отходами, проблемы создания экологически комфортных условий жизни людей.

Наличие в Белгородской области мощной сырьевой базы (крупнейшие месторождения высококачественного мела с содержанием карбоната кальция 98-99,5 %) предопределило развитие производства широкого спектра строительных материалов, таких, как молотый тонкодисперсный мел, цемент, известь и создание изделий на их основе - мелкоштучных стеновых панелей, асбестоцементных изделий и других. Многие из этих материалов получены с использованием отходов горнодобывающих предприятий КМА, металлургических и деревообрабатывающих производств.

Развитие строительных отраслей промышленности в регионе происходит в условиях введения в действие норматива по повышению термического сопротивления ограждающих конструкций жилых и гражданских зданий с целью экономии энергоресурсов и улучшения условий проживания людей. Это, в свою очередь, диктует необходимость использования многослойных конструкций с внутренним и наружным расположением эффективных утеплителей из минеральной ваты, пенополистирола или поризованных бетонов. Необходимо принять во внимание, что применение указанных материалов должно обосновываться не только их высокими теплофизическими свойствами, но и достаточной долговечностью и экологической безопасностью. С этой точки зрения наиболее оптимальным решением является использование ячеистых бетонов, в частности, пенобетонов. В настоящее время существующие технологии производства с применением новых пенообразователей повышенной кратности и стойкости, высокоэффективных и экологически чистых добавок, нового оборудования обеспечивают получение пеноматериалов с улучшенными физико-механическими и теплофизическими свойствами.

Из многих факторов, влияющих на свойства пеноматериалов, особую роль играет природа вводимых пен. На рынках сбыта представлено большое разнообразие пенообразователей, предлагаемых различными отраслями промышленности, но остается проблема создания дешевого препарата для получения пенобетонов со стабильными свойствами.

Среди пенообразующих добавок для ячеистых бетонов хорошо зарекомендовали себя пенообразователи на основе протеинсодержащих отходов растительного и животного происхождения, полученные в результате гидролиза технической крови животных или зернопродуктов. Приходится признать, что природные белковые пенообразователи, полученные из отходов, характеризуются порой некоторыми колебаниями химического состава, имеют ограниченный срок хранения, однако относятся к экологически чистым и дешёвым качественным препаратам. В отличие от синтетических пенообразователи белковой природы позволяют получать устойчивую пеномассу, предотвращают расслоение пеноцементных систем, что обеспечивает высокие прочностные свойства ячеистым бетонам низкой плотности.

Сегодня лишь высокая энергоемкость процессов получения белковых пенообразователей и недостаток сырьевой базы тормозят их широкое распространение в производстве строительных материалов. Поиск новых источников протеинсодержащего сырья позволит разрешить актуальные проблемы производства пенобетонов. Наиболее перспективными в этом направлении являются микробиологические отходы предприятий фармацевтической и пищевой промышленности. Очевидно, что наличие местного источника сырья будет являться ключевым фактором, определяющим возможность создания новых технологических модулей на базе предприятий строительной индустрии в условиях конкретного региона. Именно такая ситуация сложилась сегодня в Белгороде. На одном из крупнейших в России предприятий по производству лимонной кислоты микробиологическим способом - ОАО «Цитробел» - на каждую тонну основного продукта образуется до 0,3 т отработанной биомассы микроскопического гриба-продуцента, большая часть которой складируется на близлежащих полях фильтрации, создавая определенную угрозу нарушения устойчивости естественных экосистем. Учитывая высокий уровень развития стройиндустрии в городе, представлялось интересным осуществить нетрадиционный способ утилизации указанного отхода с целью получения пенообразующих добавок для ячеистых бетонов низкой плотности.

Варьирование параметров высокотемпературного щелочного гидролиза микробиологической массы (видов щелочных агентов, соотношения основных компонентов, длительности и температуры) позволило определить оптимальные условия получения пенообразователя. При этом максимальной кратностью пены (14) и низким водоотделением (1,5-2,0 %) характеризовался рабочий раствор пеноконцентрата с содержанием сухого вещества около 2,0 %, что соответствует области критической концентрации мицеллообразования полученного ПАВ. Важно заметить, что при этом использовалась влажная биомасса гриба (сырой мицелий), что исключало затраты на получение сухого протеинсодержащего препарата, хотя и требовало как можно более быстрой его реализации. В процессе изучения влияния стабилизаторов различной природы на характеристики пеномассы удалось подобрать композицию пенообразователя, обеспечивающую увеличение кратности пены до 22 единиц при полном отсутствии водоотделения.

Использование полученного белкового пенообразователя в технологии производства строительных материалов пористой структуры на основе гипсовых вяжущих позволило разработать пенобетоны с плотностью от 200 до 500 кг/м3 и прочностью на сжатие от 0,5 до 1,0 МПа. При оценке характера пористости полученных материалов методами оптической микроскопии было выявлено наличие равномерно распределенных по объему замкнутых изолированных пор сферической формы, размер которых изменялся в зависимости от плотности бетона от 0,1-1,2 мм; межпоровые перегородки представлены плотным и однородным композитом с минимальной капиллярной пористостью. Указанные характеристики пеногипсовых материалов позволяют рекомендовать их к использованию в монолитном домостороении для утепления и звукоизоляции внутренних помещений, а также для производства штучных изделий в заводских условиях поскольку обладают достаточной прочностью на сжатие - до 1,0 МПа, что обеспечивает их транспортировку.

В случае использования цементного вяжущего удалось несколько расширить диапазон физико-механических характеристик получаемых пенобетонов: изменение плотности материала от 300 до 950 кг/м3 при варьировании прочности на сжатие - от 0,9 до 9,0 МПа. При этом в пенобетоне выявлено наличие равномерной изолированной пористости, что отражается на его сорбционной влажности. При относительной влажности воздуха 97% увеличение массы образцов в первые дни испытаний происходит не интенсивно, что подтверждает закрытую пористость материала, а, следовательно улучшает его теплотехнические и звукоизоляционные свойства. С целью экономии цементного вяжущего при производстве пенобетонов возможна замена 15 % цемента электросталеплавильным шлаком Оскольского электрометаллургического комбината (ОЭМК), что способствует некоторому снижению плотности и удешевлению полученных пенобетонных материалов без ухудшения прочностных свойств. Максимальная температура эксплуатации полученных пенобетонов различной плотности на основе цементных вяжущих и с добавлением шлака ОЭМК составляет до 400оС.

Результаты проведенных исследований позволяют рассматривать образующиеся отходы микробиологического производства как потенциальное сырье для получения пенообразователей, использующихся в технологии производства качественных тепло- и звукоизоляционных строительных пеноматериалов.