Применение отходов угледобычи в производстве эффективных стеновых материалов

строительные материалы и конструкции

Применение отходов угледобычи в производстве эффективных стеновых материалов

Е.А. Гамалий, Б.В. Боченин

ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»

Решение вопросов энерго- и ресурсосбережения всегда было одной из актуальнейших задач, стоящих перед человечеством. Однако именно в последние десятилетия XX века появилось отчетливое понимание того, что природные ресурсы не бесконечны, а загрязнение окружающей среды, в том числе отходами промышленности, возрастает в геометрической прогрессии. Это привело к смене парадигмы «научно-техническоого прогресса» на концепцию «устойчивого развития», которая предполагает ограничение потребления природных ресурсов и защиту окружающей среды, что нашло отражение в национальных экономических программах многих стран, в том числе и России.

Сравнительный анализ показывает, что состояние отечественной базы строительной индустрии по номенклатуре, физико-техническим свойствам, качеству продукции, энергетическим, сырьевым и трудовым затратам отстает от аналогичных показателей строительной промышленности других технически развитых стран. Концепция «устойчивого развития» предполагает переход подотраслей промышленности строительных материалов по ресурсо- и энергосбережению, экологической чистоте технологий на уровень, опережающий тот, что достигнут в передовых странах.

Проблема утилизации и использования в производстве строительных материалов отходов промышленности является принципиальной. Решение этой задачи важно как с позиций замены природного сырья техногенным, так и с позиций уменьшения негативного действия отходов на окружающую среду. Кроме того, использование местных сырьевых ресурсов техногенного происхождения позволит значительно снизить расход топлива на транспортировку, а также выгодно скажется на себестоимости материалов [1].

Металлургические шлаки и золы ТЭС, микрокремнезем и другие побочные продукты промышленности являются самыми востребованными видами техногенного сырья не только в России, но и за рубежом [2].

Менее освоенным многотоннажным источником минерального сырья техногенного происхождения являются горелые породы шахтных терриконов (ГП). Это связано с тем, что в каждом угледобывающем регионе горелые породы отличаются по составу и свойствам. Поэтому возникает необходимость их исследования перед использованием в производстве строительных материалов.

Горелые породы шахтных терриконов — это продукт самообжига пустых пород, извлеченных на поверхность вместе с углем. Физико-химические

процессы, протекающие при горении терриконов, подобны технологическим процессам керамического производства или получения минеральных вяжущих веществ [3].

Изучение и промышленное использование горелых пород инженером Л. С. Гублером началось в 30-х годах XX века на Донбассе. Дальнейшими исследованиями ГП занимались Г.Н. Сиверцев, И. С. Канцепольский, А. И. Милоградской, Г. И. Книгина и ее ученики.

Горелые породы — это собирательное понятие, включающее большое количество разновидностей отходов угледобычи, отличающихся своими свойствами. Разный минералогический состав пустых шахтных пород и условия естественного процесса выгорания углистой составляющей приводят к образованию продуктов, имеющих разную степень обжига, объединенных в класс «горелые породы». Если сравнивать самообжиг горелых пород в тер-рикониках со сжиганием угля в топках, то породы обжигаются в более трудных условиях, часто в виде больших глыб с ограниченным доступом воздуха и тягой, но зато процесс этот продолжителен и относительно более равномерен. Важной особенностью горелых пород является отсутствие или крайне незначительное количество в них стекловидной фазы, обычно имеющейся в шлаках и золах от пылевидного сжигания топлива [3].

Свойства горелых пород определяются условиями формирования: составом минеральной части, температурой обжига, а также составом газовой среды при горении. Все эти факторы в итоге определяют область применения ГП.

По данным исследователей [3,4], ГП могут использоваться как заполнители для бетонов, в виде активной минеральной добавки в бетон, а также в качестве компонента композиционных вяжущих в сочетании с гипсом и известью, если содержание углистых примесей в них не превышает 5%.

Использование ГП в качестве активной минеральной добавки (АМД) возможно благодаря их пуццо-лановой активности. Считается [3,4], что пуццола-новая активность ГП обусловлена наличием нескольких активных компонентов:

алюминатного: дегидратированных глинистых минералов (метакаолинит Д!20325102) и активного глинозема у-Д!203;

• кремнеземистого: аморфного кремнезема Б102;

• железистого: растворимого Ре203.

Присутствие этих веществ в ГП объясняется нарушением молекулярных связей водных алюмосиликатов исходных пород при обжиге, а также активизацией кварца из-за нарушения поверхности и дис-пергации частиц при пиропроцессах.

строительные материалы и конструкции

С применением горелых пород в качестве АМД возможно получение легких эффективных несущих и ограждающих конструктивных элементов заданной долговечности, изготавливаемых по гибким технологиям методом вибропрессования.

Основными особенностями современных вибропрессованных изделий являются:

— низкая энергоемкость;

— небольшое водопоглощение;

— уменьшенная трудоемкость;

— большой ассортимент изделий.

При этом высокий уровень компьютеризации производства обеспечивает получение заданных прочностных и цветовых характеристик изделий с высокой точностью в очень широком диапазоне.

Исходя из этого, на кафедре «Строительные материалы» ЮУрГУ были проведены исследования с целью определения возможности применения горелых пород шахтных терриконов г. Копейска в качестве активной минеральной добавки для замены части цемента в мелкозернистых вибропрессованных бетонах, предназначенных для стеновых изделий.

В работе использовались породы с отвалов шахты «Красная Горнячка», которые представлены термоизмененными алевролитами, песчаниками, аргиллитами, конгломератоподобными образованиями в виде спеков.

Применяемые ГП имеют следующий химический состав: п.п.п. (1,61-5,66), SiO2 (40,17-56,47), Al2O3 (8,74-19,74), Fe2O3 (4,62-8,39), FeO (0,07-3,85), CaO (1,55-13,88), MgO (1,45-5,4), SO3 (0,94-2,37), K2O (0,64-1,78), Na2O (0,32-0,89) [5].

Для определения минералогического состава ГП был использован рентгенофазовый анализ (рис. 1), который показал присутствие в ГП следующих минералов: Y-Al2O3 с d/n = 0,245, 0,228, 0,197, 0,138 нм; гексаалюмината кальция (CaO-6Al2O3) с d/n = 0,334, 0,249, 0,212, 0,202, 0,159, 0,154, 0,140 нм; кианита с d/n = 0,335, 0,318, 0,236, 0,197, 0,138 нм; кварца с d/n = 0,424, 0,334, 0,245, 0,228, 0,212, 0,181, 0,154, 0,145, 0,138 нм; микроклина с d/n = 0,383, 0,370, 0,348, 0,337, 0,325 нм; монотермита с d/n = 0,435, 0,326, 0,232, 0,206, 0,197, 0,164, 0,149, 0,137 нм; гематита (а-Fe2O3): d/n = 0,369, 0,270, 0,221, 0,184, 0,170,

0,149, 0,145 нм.

Исследования, проведенные с помощью дифференциально-термического анализа, показали наличие эндотермических эффектов при ~380°С, ~5700С и ~7000С. При ~9500С отмечен экзотермический эффект. Это подтверждает присутствие в ГП глинистых минералов (~3800С и ~9500С), кварца (~5700С) и гематита (~7000С). Можно сделать вывод о том, что степень обжига данных ГП высокая (П.П.П.= 2,94 %).

В результате предварительных исследований было установлено, что добавка горелых пород обладает пуццолановой активностью и может быть использована в технологии цементных материалов [6].

Для определения оптимальных условий твердения, тонкости помола ГП и их количества с позиций набора прочности при сжатии камнем вяжущего были проведены испытания образцов-кубов с ребром 2 см. Образцы изготавливали из теста вяжуще-

Рисунок 1.

Рентгенограмма ГП шахты «Красная Горнячка».

5 2009 571

строительные материалы и конструкции

го нормальной густоты по ГОСТ 310.3. В состав вяжущего входил цемент ПЦ 400-Д20 производства ЗАО «Уралцемент», а также горелые породы, размолотые до удельной поверхности 5000 и 7800 см2/г. Образцы испытывали в возрасте 3 и 28 суток водного твердения или 1 и 28 суток после тепловлажностной обработки (ТВО). Ранее было установлено, что наиболее благоприятным является следующий режим ТВО: выдержка при температуре 20°С — 2 часа; подъем температуры со скоростью 15°С/час до температуры 75°С; изотермическая выдержка при температуре 75°С продолжительностью 8 часов [6]. Результаты испытаний представлены на рис. 2—5.

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что оптимальное содержание горелых пород в вяжущем составляет 30%. При этом потеря прочности камня вяжущего в возрасте 28 суток

после ТВО относительно прочности цементного камня без добавки ГП составляет около 6%, а экономия цемента существенна.

После тепло-влажностной обработки образцов цементного камня, включающего ГП в количестве до 30 %, достигается прочность значительно выше, чем при водном твердении. Таким образом, ТВО позволяет активизировать ГП, а также получить 80% прочности уже после первых суток твердения.

Прочность камня вяжущего после ТВО с горелой породой, имеющей удельную поверхность 7800 см2/г, на 10-15% выше прочности камня, в котором содержится ГП с удельной поверхностью 5000

см2/г.

ГП легко поддаются измельчению, так как содержат много микротрещин, образовавшихся за счет термических напряжений при самопроизвольном нерегулируемом обжиге в террикониках. Ослаблен-

Содержание горелой породы, %

Рисунок 2. Прочность камня вяжущего в возрасте 3 суток водного твердения.

Содержание горелой породы, %

Рисунок 3. Прочность камня вяжущего в возрасте 28 суток водного твердения.

572 5 2009

строительные материалы и конструкции

Содержание горелой породы, %

Рисунок 4. Прочность камня вяжущего в возрасте 1 сутки после ТВО.

Содержание горелой породы, %

Рисунок 5. Прочность камня вяжущего в возрасте 28 суток после ТВО.

ная структура горелых пород является причинои их сравнительно легкого измельчения, поэтому их удельную поверхность можно было бы довести до 10.. 12 тыс. см2/г. Однако при очень тонком помоле частицы вяжущего имеют склонность группироваться в комки-флокулы [7].

Для разработки эффективных вибропрессованных композиции с использованием ГП применяли математические методы планирования эксперимента. В качестве варьируемых факторов были выбраны:

• х1 — отношение «вяжущее: песок» (В:П): от 1:4 до 1:6;

• х2 — содержание горелых пород в вяжущем: от 25 до 35% по массе.

В качестве сырьевых материалов использовались:

песок карьера «Хлебороб», цемент ПЦ 400-Д20 (ЗАО «Уралцемент»), ГП (7800 см2/г).

Из мелкозернистого бетона изготавливали образцы-цилиндры с диаметром и высотой 5 см при давлении пригруза 250 см2/г за время прессования 90 секунд. Формовочная влажность составляла 8% от массы сухой смеси. После изготовления образцы подвергали ТВО по вышеуказанному режиму. Зависимость прочности бетона при сжатии от варьируемых факторов в возрасте 28 суток представлена на рис. 6.

1? (х1, х2) = 22,49 - 1,67х1 - 0,13х2 + 0,96х^ +

0,75 хх2 - 1,86 х22

Критерий Фишера Р = 2,2.

5 2009 573

строительные материалы и конструкции

Морозостойкость разработанных материалов составила более 100 циклов, водопоглощение по массе — менее 5%.

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Горелые породы шахтных терриконов г. Копейска могут применятся как активная минеральная добавка в бетоны при условии предварительного усреднения и размола до удельной поверхности 75008000 см2/г.

2. Максимальная пуццолановая активность ГП проявляется термообработкой бетонов с этими добавками при 70...75°С.

3. Оптимальное количество добавки ГП составляет 30 % от массы цемента.

4. Использование ГП в мелкозернистых виброп-рессованных бетонах в качестве активной минеральной добавки в количестве 25—35% от массы цемента позволило получить материалы с маркой по прочности М 200-250 и морозостойкостью более 100 циклов.

5. Разработанные бетоны можно применять в производстве мелкоштучных стеновых изделий, получаемых методом вибропрессования по гибкой технологии.

6. Применение горелых пород позволяет придать мелкоштучным стеновым материалам архитектурную выразительность за счет красивого розового цвета.

Список литературы

1. Рахимов, Р.З. Ресурсо- и энергосбережение в стро-

ительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве /

Р.З. Рахимов / / Архитектура и строительство

Москвы. — 2003. — вып. 2-3. — С. 7-9.

2. Scrivener, K.L. Innovation in Use and Research on

Cementitious Material / K.L. Scrivener, R.J.

Kirkpatrick / / Proceedings of the 12th International

Congress on the Chemistry of Cement. — Montreal,

2007. — P. 358-278.

Рисунок 6. Прочность при сжатии мелкозернистых бетонов в возрасте 28 суток, МПа.

3. Книгина, Г.И. Строительные материалы из горе-

лых пород. — М.: Стройиздат, 1966. — 207 с.

4. Сиверцев, Г.Н. Процессы при твердении топлив-

ных шлаков и горелых пород / Г.Н. Сиверцев / / Химические процессы твердения бетонов: сб. докл. — М.: Госстройиздат, 1961. — С. 108-122.

5. Оценка пригодности отходов добычи углей Ко-

пейского угленосного района Челябинского угольного бассейна для получения минерального волокна и других видов продукции: отчет о НИР (заключ.) / ВНИГРИуголь; рук. Гипич Л.В.

— Ростов-на-Дону, 2003. — 80 с.

6. Гамалий, Е.А. Исследование пуццолановой актив-

ности горелых пород шахтных терриконов / Е.А. Гамалий, С.П. Горбунов, Б.Я. Трофимов // Прогрессивные материалы и технологии в современном строительстве: Международный сборник научных трудов. — Новосибирск, 2007-

2008. — С. 110-114.