Разработка композиционных вяжущих для закладочных смесей

Агеева М. С., канд. техн. наук, доц., Сопин Д. М., канд. техн. наук, доц.

Гинзбург А. В., канд. техн. наук, Калашников Н. В., соискатель, Лесовик Г. А., инженер

Белгородский государственный технологический университет им. В. Г Шухова

РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ ДЛЯ ЗАКЛАДОЧНЫХ СМЕСЕЙ

ageevams@yandex.ru

В работе исследованы свойства композиционных вяжущих в зависимости от количества вводимых активных минеральных добавок. Установлено, что при одновременном введении шлака и отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов происходит интенсификация процессов гидратации.

Ключевые слова: композиционные вяжущие, закладочные смеси, доменный гранулированный шлак, отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов.

На сегодняшний день актуальной остается проблема эффективного и экологически безопасного размещения отходов горнообогатительного производства. Промышленность строительных материалов занимает особое место при рассмотрении данного вопроса, именно она уже сейчас широко и эффективно использует отходы промышленности, решая при этом проблемы ресурсосбережения в строительстве и охраны окружающей среды.

Известно, что большие объемы отходов обогащения образуются при добыче и переработке полезных ископаемых. Складирование таких отходов требует отвода значительных площадей, приводит к нарушению инженерно-геологических, гидрогеологических и эколого-геологических условий района размещения хранилища отходов, а также к изменению рельефа. Поэтому в настоящее время широко применяются системы разработки с закладкой выработанного пространства. Закладка способна обеспечивать безопасную и эффективную эксплуатацию месторождения с наибольшей полнотой извлечения полезного ископаемого, а также управление горным давлением [1].

Управление горным давлением включает в себя создание защищённых зон, разгруженных от действующих в массиве напряжений до безопасного уровня. В этих зонах ведут очистные работы, закладку выработанного пространства твердеющими смесями с соблюдением оптимальной конфигурации фронтов защитного слоя [2-3].

Современный подход к строительству предполагает создание эффективных экономичных строительных материалов. Основным направлением в решении этой задачи является производство композиционных вяжущих, при получении которых расход топлива и клинкера значительно сокращается по сравнению с чисто клинкерными цементами.

Композиционные вяжущие обычно представляют собой смесь гидравлического вяжущего, активного минерального компонента и специальных добавок, усиливающих те или иные строительные свойства [3-5].

В основу создания таких вяжущих положен принцип целенаправленного управления технологией на всех ее этапах: использование активных компонентов, разработка оптимальных составов, применение химических модификаторов, использование механохимической активации компонентов и некоторых других приемов [6-7].

В настоящее время накоплен большой опыт по выпуску вяжущих с использованием активных минеральных добавок. При этом наиболее изучены и применяются в строительстве такие отходы, как золы и шлаки ТЭС, шлаки металлургического производства, микрокремнезем, так называемые техногенные пески, которые образуются в основном в результате обогащения полезных ископаемых и при дроблении скальных пород на щебень (отсев дробления) [4-5]. Поэтому представляется, что для получения закладочных смесей целесообразно использовать композиционное вяжущее на основе техногенных песков с минимальным расходом клинкерной составляющей, а также использовать техногенные пески в качестве мелкого заполнителя таких бетонов.

В работе были разработаны композиционные вяжущие с использованием техногенных песков для использования в последующем в составах закладочных смесей. Для получения вяжущих были использованы следующие материалы: портландцемент ЦЕМ I 32,5Н ГОСТ 311082003, Новолипецкий доменный гранулированный шлак с Мо =1,14 и Ма=0,2 и отходы мокрой магнитной сепарации (ММС) железистых кварцитов с Мк=0,6, добавка Полипласт СП-1(табл. 1, 2).

Таблица 1

Химический состав Новолипецкого шлака_

Наименование 8Ю2 А12О3 Ре2Оз СаО МвО 8О3 К2О №2о Тю2 МпО

Содержание,% 37,087 7,288 0,646 41,401 9,397 1,835 0,529 0,351 0,287 0,102

Таблица 2

Химический состав отходов ММС_

Наименование Реобщ 8Ю2 А12О3 Ре2О3 РеО СаО МвО 8 Р СО2

Содержание,% 10,2 77,72 0,57 6,58 7,12 1,48 2,26 0,128 0,023 3,63

Вяжущие получали путем совместного по- Буд=550 м2/кг. Состав вяжущих менялся в зави-мола компонентов до удельной поверхности симости от содержания компонентов (табл. 3).

Таблица 3

Составы и свойства вяжущих_

№ п/п Вид вяжущего Цемент, % Шлак, % Отходы ММС, % Д,% Предел прочности при сжатии, МПа

7 сут. 28 сут.

1 КВ 20 20 40 40 0,7 8,4 18,3

2 КВ 40 40 30 30 16,1 30,1

3 ЦЕМ I 32,5 Н 100 - - - 29,5 42,4

Следует отметить, что количество добавки вводилось в процентном соотношении от массы цемента. Как видно из таблицы 3, самую низкую прочность имеют вяжущее с содержанием клинкерной составляющей 20%. Прочность КВ 20 составляет примерно 43 % прочности чистого цемента, а прочность КВ 40 - уже 73 % прочности.

Обеспечение таких показателей прочности у вяжущих при низком содержании цементной составляющей происходит за счет повышения удельной поверхности и, как следствие, возрастания доли мельчайших частиц, увеличивающих скорость гидратации. При этом сам шлак обладает гидравлическими свойствами, которые при тонком измельчении проявляются более полно. Также повышение активности происходит за счет одновременного введения шлака и частичек отходов ММС железистых кварцитов, выступающих подложками и центрами кристаллизации, что можно отчетливо проследить на микрофотографиях

Исследование структурообразования при твердении разработанных вяжущих в возрасте 28 суток показало следующее. У КВ 40 формируемая матрица в затвердевшем вяжущем является однородной с небольшими включениями микропор. Уплотнение и упрочнение структуры обусловлено ростом кристаллической фазы и замещением водных контактов между отдельными кристалликами новообразований - кристаллическими контактами (рис. 1).

Цементный камень КВ 20 имеет менее плотную структуру матрицы (рис. 1). В общей массе отчетливо видны зерна наполнителя, можно отметить наличие пор и пустот.

Твердый каркас у всех образцов вяжущих сложен отдельными зернами шлака и частичками отходов ММС железистых кварцитов различной степени дисперсности с ярко выраженными химическими контактами взаимодействия с новообразованиями (рис. 1-2). Причем при большем увеличении заметно, что эти частицы почти полностью покрыты продуктами гидратации, так как частички шлака и отходов ММС является хорошими подложками для формирования зародышей новообразований, следствием чего является обилие глобул сросшихся с их поверхностью (рис.1, 2). Помимо этого, мельчайшие частицы наполнителя, как и непрогид-ратировавшие цементные зерна, являются центрами кристаллизации, что также хорошо заметно у вяжущего КВШМ 40.

Меньшее содержание цементного теста у КВ 20 привело к образованию большего количество пор и пустот, которые в процессе твердения зарастают игольчатыми гидратными новообразованиями (рис.2, б).

На рис. 1,2 при увеличении х 50000 можно увидеть, что образцы состоят из двух типов частиц: обломков кристаллов минералов и непосредственно новообразованных минералов. Среди первых преобладают кварц, полевые шпаты, амфиболы.

Таким образом, предложены композиционные вяжущие с использованием доменного гранулированного шлака и отходов ММС железистых кварцитов в равных соотношениях. Установлено, что прочность вяжущего КВ 20 составляет примерно 43 % прочности чистого цемента, а прочность КВ 40 - уже 73 % прочности. Обеспечение таких показателей при низком

содержании цементной составляющей происходит за счет тонкого помола, что позволяет полнее проявить гидравлические свойства шлаку и одновременного введения частичек отходов ММС железистых кварцитов, выступающих подложками и центрами кристаллизации.

В целом можно отметить, что полученные композиционные вяжущие с содержанием клинкерной составляющей 20 и 40 % вполне пригодны для использования их при производстве за-

кладочных смесей и отвечают требованиям по активности, предъявляемым к таким вяжущим. Кроме того использование в качестве наполнителей композиционных вяжущих техногенного сырья позволит значительно снизить себестоимость вяжущих, а следовательно в дальнейшем и затраты, связанные с выполнением закладочных работ и улучшить экологическую обстановку в регионе.

ЭЕМ НУ: 5.0 к\/ ИО: 10.00 шт |_М1ЯАЗ ТЕвСАИ

||е|<1: 27.7 игл Ое[ БЕ 5 рт

ЭЕМ МАО: 10.0 кх БГТУ им. В.Г. Шухова

а) х10000

б)х10000

Г Т1 <• ^гп

" Ч-А Т

4

% && V У Ч

жч

Ш * V

т .»Ш/1

М1РАЗ ТЕБСАГ« БЕМ НУ: 5.0 кУ WD: 10.00 тт

\Ziew ЛеМ: 5.55 рт Ое* БЕ

Шухова I БЕМ МАО: 50.0 кх

БГТУ им. В.Г. Шухова

в) х20000 г) х50000

Рис. 1. Микроструктура КВ 40 на основе шлака и цемента

л

7' - ^

'ЛТ

--ч1* < . V.' " А- ->'Ч1

% г,

\i\t~

Щщж

ЭЕМ НУ: 5.0 к« ИГО: 10.00 шш |_

\JiewUeld: 13.9 мт 0с-1: ЭЕ 2 ^т

БГТУ им. В.Г. Шухова

в)х 20000 б)х 50000

Рис.2 Микроструктура КВ 20 на основе шлака и цемента

БИБЛИОРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лесовик Р. В. Мелкозернистые бетоны на композиционных вяжущих и техногенных песках автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Белгород, 2009

2. Лесовик Р.В., Ковтун М.Н., Алфимова Н. И. Комплексное использование отходов алма-зообогащения // Промышленное и гражданское строительство. 2007. № 8. С. 30-31.

3. К проблеме повышения эффективности композиционных вяжущих / В.С. Лесовик, Н.И. Алфимова, Е.А. Яковлев, М.С. Шейченко // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. №1. С. 30-33.

4. Лесовик Р.В., Строкова В.В., Ворсина М.С. Разработка укатываемого бетона на техногенном сырье для дорожного строительства // Строительные материалы. 2004. № 9. С. 8-9.

5. Лесовик Р.В., Жерновский И.В. Выбор кремнеземсодержащего компонента композици-

онных вяжущих веществ // Строительные материалы. 2008. № 8. С. 78-79.

6. Лесовик Р.В., Чернышева Н.В., Агеева М.С. Активация мелкозернистого бетона на железосодержащих техногенных песках магнитным полем // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. №1. С. 24-28.

7. Сулейманова Л. А., Семенков П. Е. Высококачественное композиционное вяжущее с применением техногенного сырья // Актуальные вопросы и строительство: мат-лы V Всероссийской науч.-практ. конф., 2012. - Т.1. - С. 266270.

8. Сулейманова Л. А. Композиционное вяжущее с использованием техногенного песка для неавтоклавных газобетонов // Экология: образование, наука, промышленность и здоровье: мат-лы IV Междунар. науч.-практ. конф. - Белгород, 2011. - С. 162-165.

9. Соловьева Л. Н., Чантурия Ю.В., Ткебу-чава П.Д. Оптимизация состава композиционного вяжущего с использованием метода математического планирования эксперимента // «Ре-сурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона»: Сборник научных трудов по материалам II Всероссийской научно-практической конференции - Саратов: Изд-во СГТУ, 2012 - С. 51-55.