Композиционное механоактивированное вяжущее на основе двуводного гипса

Таким образом, на свойства вспученного заполнителя огромное влияние оказывают плотность породы, крупность вспучиваемого сырья, а также режимы термообработки. Полученные показатели наглядно демострируют зависимость свойств заполнителя и изделий на его основе от плотности породы (ранее были исследованы перлиты, вспученные из перлитового сырья всех гостовских (ГОСТ 25226-96) фракций и исследованы их физико-технические показатели в зависимости от плотности породы) [7, 8]. Поскольку в исследованных теплоизоляционных изделиях содержание вспученного заполнителя составляет 70 %, то, как и следовало ожидать, физико-технические характеристики изделий, в данном случае прочность, зависят от свойств заполнителя и плотности породы, из которого он получен.

Литература

1. Ребиндер П. А. Поверхностные явления в дисперсных системах. М.: Наука, 1979. 384 с.

2. Алексеева Л. В. Технологические особенности производства вспученного перлита из сырья различных месторождений // Строительные материалы и изделия. 2005. № 6. С. 25-29.

3. file:///C:/Users/asusH81/Downloads/smii_2013_5-6_12%20(2).pdf.

4. Алексеева Л. В. Сравнительные исследования свойств вспученного перлита из перлитового сырья месторождения Фогош Украины и месторождений Греции, Армении, Турции, Грузии // Строительные материалы и изделия. 2016. № 2, 3. С. 92-95.

5. Гургенян Н. В., Бурначян Г. А., Хачанова И. Б. Повышение функциональных свойств перлитовых изделий при использовании заполнителя, полученного из классифицированного сырья // Информационные технологии и управление. Ереван, 2007. № 11. С. 8-16.

6. Экономическая эффективность применения вспученного перлита, полученного из классифицированного по плотности и крупности сырья / А. М. Меликсетян и др. // Всесоюзный журнал научных публикаций. М., 2012. С. 16-18.

7. Гургенян Н. В., Бурначян Г. А., Хачанова И. Б. Повышение функциональных свойств перлитовых изделий при использовании заполнителя, полученного из классифицированного сырья // Информационные технологии и управление. Ереван, 2007. № 11. С. 8-16.

8. Взаимосвязи основных физико-технических свойств перлитовой породы и вспученного перлита / Н. В. Гургенян и др. // Информационные технологии и управление. Ереван, 1999. № 1. С. 91-96.

Сведения об авторах Гургенян Нинель Вагинаковна

кандидат технических наук, Институт общей и неорганической химии им. Манвеляна НАН, г. Ереван, Армения gurnelius@gmail. com Хачанова Инесса Багратовна

доцент, Национальный университет архитектуры и строительства Армении, г. Ереван, Армения inessbag@yahoo.com

Gurgenyan Ninel Vaginakovna

PhD (Chemistry), Institute of General and Inorganic Chemistry of National Academy of Sciences of Republic of Armenia, Yerevan, Armenia

gurnelius@gmail.com Khachanova Inessa Bagratovna

Associate Professor, National University of Architecture and Construction of Armenia, Yerevan, Armenia inessbag@yahoo.com

DOI: 10.25702/^^2307-5252.2018.9.1.828-832 УДК 666.9 + 53.091 + 691.263.5

КОМПОЗИЦИОННОЕ МЕХАНОАКТИВИРОВАННОЕ ВЯЖУЩЕЕ НА ОСНОВЕ ДВУВОДНОГО ГИПСА Б. И. Гуревич, А. М. Калинкин, Е. В. Калинкина, В. В. Тюкавкина

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия

Аннотация

Исследованы вяжущие свойства механоактивированной композиции, состоящей из природного двуводного гипса и минеральной добавки — нефелинового концентрата. Содержание CaSO4•2H2O в композиции составляло до 70 мас. %. Прочность при сжатии цементного камня на основе механоактивированной композиции, твердеющей в сухих условиях, через 1 сут достигает ~ 10 МПа, а через 28 сут увеличивается до 48 МПа, что существенно выше соответствующих показателей для традиционного безобжигового гипсового цемента. Ключевые слова:

природный гипс, нефелиновый концентрат, механоактивация, вяжущие свойства.

BLENDED MECHANICALLY ACTIVATED BINDING MATERIAL BASED ON CALCIUM SULFATE DIHYDRATE

B. I. Gurevich, A. M. Kalinkin, E. V. Kalinkina, V. V. Tyukavkina

I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials

of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia

Abstract

Binding properties of mechanically activated mixture involving natural calcium sulfate dihydrate and nepheline concentrate as a mineral additive, have been studied. The content of CaSO4-2H2O in the mixture has been up to 70 mas. %. Compressive strength of the cement stone based on the mechanically activated mixture that is hardened in dry conditions has been ~ 10 MPa after 1 day of curing. Curing for 28 days results in increasing the compressive strength up to 48 MPa. This is considerably higher than the corresponding values for the common roasting free gypsum cement. Keywords:

natural gypsum, nepheline concentrate, mechanical activation, binding properties.

Целью данной работы является изучение вяжущих свойств механоактивированной композиции, состоящей из природного гипса Звозского месторождения (Архангельская обл.) и минеральной добавки (нефелинового концентрата — НК) производства АО «Апатит» (Мурманская обл.). Минеральный состав НК, мас. %: нефелин 75-80; полевые шпаты 8-16; вторичные минералы по нефелину 1,5-10; эгирин 1,5-5; титаномагнетит 0,4-0,6; апатит 0,2-0,8; сфен 0,5-1,0. Природный гипс представлен двуводным сульфатом кальция. Химические составы компонентов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав компонентов, мас. %

Компонент Нефелиновый концентрат Гипс*

SiO2 43,37 -

Al2O3 29,48 -

FeO - -

Fe2O3 2,90 -

CaO 0,84 35,96

MgO 0,27 -

Na2O 12,7 -

K2O 9,01 -

TiO2 0,27 -

P2O5 0,03 -

SO3 - 43,37

П. п. п. 1,13 -

Прочие - 1,24

* Помимо указанных компонентов содержание H2O — 18,9 %.

Содержание CaSO4•2H2O в смеси гипс — НК составляло от 5 до 70 мас. %. Механоактивацию (МА) смеси гипса и НК проводили в центробежно-планетарной мельнице АГО-2 [1] в воздушной среде при центробежном факторе 40 g с применением стальных барабанов и стальных шаров диаметром 8 мм в течение 270 с. Соотношение масса шаров : масса загрузки равнялось 6.

Использование в составе композиционных вяжущих двуводного гипса позволяет исключить операцию обжига по сравнению с известной технологией, поскольку для получения традиционного строительного гипса необходима операция термической обработки исходного сырья. Возможности твердения систем на основе двуводного сульфата кальция по безгидратационному механизму в результате перекристаллизации за счет присутствия тонких фракций CaSO4•2H2O с применением прессования образцов обсуждаются в работе [2].

При совместной механоактивации наряду с диспергированием компонентов композиции согласно данным рентгенофазового анализа (рис. 1) происходит уменьшение интенсивностей пиков и их уширение. Причем для более мягкого гипса (твердость по шкале Мооса — 2) этот процесс выражен в большей степени, чем для нефелина (твердость — 5,5-6,0).

Кроме того, по данным термического анализа МА приводит к частичной дегидратации гипса. После 270 с МА содержание кристаллизационной воды составляет 40-45 мас. % от ее содержания в исходном гипсе. Эти факторы способствуют повышению растворимости гипса и его дальнейшей перекристаллизации. О перекристаллизации

двуводного гипса свидетельствует рост интенсивностей и уменьшение ширины его рефлексов в рентгенограмме образца твердения по сравнению с рефлексами Са804^2И20 в механоактивированной смеси (рис. 1).

Рис. 1. Рентгенограммы: 1 — исходная смесь (50 % НК + 50 % гипс);

2 — смесь (50 % НК + 50 % гипс) после 270 с МА; 3 — образец после твердения механоактивированной смеси

на воздухе (влажность 60-70 %) в течение 1 сут

С использованием формулы Шеррера по изменению полуширины дифракционного максимума Са804^2И20, 26 = 11,60 о (ё = 0,7630 нм), был рассчитан средний размер кристаллитов (областей когерентного рассеяния) двуводного гипса в зависимости от продолжительности твердения на воздухе механоактивированной смеси (50 % НК + 50 % гипс). В течение первых 7 сут твердения размер кристаллитов гипса в результате перекристаллизации увеличивается в 1,7 раза и в дальнейшем практически не изменяется (рис. 2), что согласуется с данными по прочности соответствующих образцов (табл. 2).

Рис. 2. Зависимость среднего размера кристаллитов

Композиция гипс — НК согласно полученным результатам является воздушным вяжущим. Прочность при сжатии цементного камня на основе механоактивированных смесей гипса и нефелина при их массовом отношении 1 : 1, твердеющих при влажности 60-70 %, через 1 сут достигает ~ 10 МПа, а через 28 сут увеличивается до 48 МПа (табл. 2). Прочность марочного строительного гипса не превышает 25 МПа (марка «Г25»).

Таблица 2

Влияние количества двуводного гипса на прочность при сжатии композиции «НК — гипс — вода» при твердении на воздухе

Состав, мас. % Прочность при сжатии Ясж, МПа Ясж! / Ясж! Ясж180 / Ясж1

Гипс НК 1 сут 7 сут 28 сут 180 сут

Влажность 60-70 %

- 100 1,0 0,9 0,9 1,0 0,9 1,0

5 95 1,4 1,4 2,0 2,2 1,0 1,6

10 90 1,9 3,3 3,9 4,4 1,74 2,3

20 80 7,0 18,2 21,6 22,5 2,6 3,2

30 70 8,0 21,7 22,8 27,9 2,7 3,5

50 50 10,7 44,3 47,8 46,3 4,1 4,3

70 30 6,5 39,7 45,5 46,5 6,1 7,2

Влажность 95-100 %о

20 80 0,8 0,8 0,8 3,8 1,0 4,8

30 70 0,6 0,6 0,6 4,6 1,0 7,6

50 50 0,8 0,9 1,9 10,3 1,0 12,8

70 30 0,9 0,9 4,3 18,4 1,0 20,4

Примечание. Температура 20 ± 2 оС, время МА 270 с, В / Т = 0,25.

При твердении во влажных условиях (влажность 95-100 %) прочность существенно ниже, но через полгода может достигнуть 18 МПа. Высокие показатели по прочности получены для составов, содержащих 50-70 % гипса. Следует отметить, что косвенным подтверждением влияния НК на перекристаллизацию и твердение гипса в составе механоактивированной смеси служит заметная прочность образцов при твердении во влажной среде.

Таким образом, в результате МА смеси двуводного гипса и НК получено воздушное вяжущее, которое может найти применение в строительстве. Данная разработка защищена патентом РФ [3].

Авторы благодарят Е. С. Серову за помощь в экспериментальных исследованиях.

Литература

1. Аввакумов Е. Г. Механические методы активации химических процессов. Новосибирск: Наука, 1986. 305 с.

2. О возможности твердения систем на основе двугидрата сульфата кальция / А. Ф. Полак и др. // Изв. вузов. Строительство. 1987. № 10. С. 55-59.

3. Пат. 2612287 Рос. Федерация, МПК C 04 B 11/28, 18/04 (2006.01). Способ получения гипсового вяжущего / Гуревич Б. И., Калинкин А. М., Калинкина Е. В., Тюкавкина В. В.; Ин-т химии и технологии редких элементов и минер. сырья Кол. науч. центра РАН. № 2016107886/03; заявл. 03.03.16; опубл. 06.03.2017, Бюл. № 7.

Сведения об авторах Гуревич Бася Израильевна

кандидат технических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия tukav_vv@chemy.kolasc.net.ru Калинкин Александр Михайлович

доктор химических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия kalinkin@chemy.kolasc.net.ru Калинкина Елена Владимировна

кандидат технических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия kalinkina@chemy.kolasc.net.ru Тюкавкина Вера Владимировна

кандидат технических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева

ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия

tukav_vv@chemy.kolasc.net.ru

Gurevich Basya Izrail'evna

PhD (Engineering), I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia tukav_vv@chemy.kolasc.net.ru Kalinkin Aleksandr Mikhailovich

Dr. Sc. (Chemistry), I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia kalinkin@chemy.kolasc. net. ru

Kalinkina Elena Vladimirovna

PhD (Engineering), I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia kalinkina@chemy.kolasc.net.ru Tyukavkina Vera Vladimirovna

PhD (Engineering), I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia tukav_vv@chemy.kolasc.net.ru

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.832-837 УДК 666.9 : 53.091

ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ МЕХАНОАКТИВАЦИИ ШЛАКОВ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ НА ИХ ГИДРАТАЦИЮ

А. М. Калинкин1, Санжай Кумар2, Б. И. Гуревич1, Т. К. Алекс2, Е. В. Калинкина1, С. К. Нат2, В. В. Тюкавкина1, Ракеш Кумар2

1 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия

2 Национальная металлургическая лаборатория, г. Джамшедпур, Индия Аннотация

Представлены результаты исследований, направленных на повышение реакционной способности гранулированного Cu-Ni-шлака комбината «Печенганикель» и Zn-шлака предприятия "Hindustan Zinc Ltd." с целью получения на их основе геополимеров и других вяжущих веществ. С применением данных изотермической калориметрии показано, что механоактивация шлаков в атмосфере СО2 заметно повышает скорость их гидратации по сравнению с механоактивацией в воздушной среде. Механоактивация шлаков в углекислом газе способствует также росту прочности при сжатии цементного камня. Ключевые слова:

шлаки цветной металлургии, гидратация, механоактивация, углекислый газ, калориметрия.

INFLUENCE OF ATMOSPHERE OF MECHANICAL ACTIVATION OF NON-FERROUS METALLURGY SLAGS ON THEIR HYDRATION

A. M. Kalinkin1, Sanjay Kumar2, B. I. Gurevich1, T. C. Alex2, E. V. Kalinkina1, S. K. Nath2, V. V. Tyukavkina1, Rakesh Kumar2

11. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials

of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences", Apatity, Russia

2 National Metallurgical Laboratory, Jamshedpur, India

Abstract

Results of investigation towards increasing the reactivity of granulated Cu-Ni slag from "Pechenganickel" smelter plant and Zn slag from M/s Hindustan Zinc Ltd. in order to prepare geopolymers and other binding materials on their basis have been presented. With the use of isothermal calorimetry data it has been shown that mechanical activation of the slags in CO2 atmosphere notably increases the rate of their hydration in comparison to mechanical activation in air. Mechanical activation of the slags in carbon dioxide promotes also the development of compressive strength of the cement stone. Keywords:

non-ferrous metallurgy slags, hydration, mechanical activation, carbon dioxide, calorimetry.

Ежегодно в мире в качестве отходов переработки различных руд производится огромное количество металлургических шлаков, исчисляемое сотнями миллионов тонн [1]. Наиболее рациональным способом утилизации шлаков является получение композиционных вяжущих на основе традиционного портландцемента, а также применение в составе относительно новых видов цементов, таких как вяжущие щелочной активации [2, 3]. Вяжущие щелочной активации или геополимеры - перспективный класс материалов, которые получают в результате взаимодействия природных и синтетических силикатов и алюмосиликатов со щелочными агентами. Их отличают высокие физико-механические характеристики, а также сравнительная простота процесса получения, при котором существенно снижены выбросы СОг в окружающую среду. Вяжущие щелочной активации могут применяться не только в строительстве, но и