Получение декоративных штукатурных смесей на основе хвостов обогащения железистых кварцитов

УДК 622.3

С. В. Свергузова, И. В. Старостина, Е. В. Фомина,

Л. А. Порожнюк, Л. В. Денисова, И. Г. Шайхиев

ПОЛУЧЕНИЕ ДЕКОРАТИВНЫХ ШТУКАТУРНЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ

Ключевые слова: хвосты обогащения железистых кварцитов; сухие строительные смеси; заполнитель; прочность на

сжатие; структурообразование.

В работе исследована возможность использования отходов горно-обогатительных предприятий - хвостов обогащения железистых кварцитов взамен кварцевого песка в составе мелкого заполнителя при получении сухих строительных смесей на основе цементных вяжущих для проведения штукатурных работ. Показано, что замена кварцевого песка на рассматриваемые отходы в количестве 25% способствует интенсификации процессов адсорбции и химических реакций, контактообразования с цементной матрицей, а, следовательно, и структурообразованию всего композита. Происходит формирование хорошо закристаллизованных крупных частиц гидратных новообразований, с повышенной площадью контактных зон, что обеспечивает увеличение прочности на сжатие готовых материалов на 17% по сравнению с контрольным составом с использованием только кварцевого песка.

Key words: ferruginous quartzites refinement tailings; dry building mixes; filler; compression strength; structure formation.

The article deals with the possibility of using ore-dressing plants waste - the ferruginous quartzites refinement tailings - instead of quartz sand in the fine filler at the production of dry building mixes for plaster works on the base of cement binders. It has been demonstrated that replacing quartz sand with the above-mentioned waste products in amount of 25% intensifies the adsorption processes and chemical reactions, as well as the contact formation with cement matrix and, as a result, the structure formation of the composite. The well-crystallized coarse particles of hydration structures, having the larger contact area, are formed, which increases the compression strength of the finished materials by 17% as compared to the test sample using only quartz sand.

Охрана окружающей природной среды от загрязнений и рациональное использование природных ресурсов является одной из основополагающих концепций успешного развития всех стран мира. Тем не менее, количество производимых и накапливающихся отходов промышленности продолжает увеличиваться. Только в Российской Федерации ежегодно образуются миллиарды тонн промышленных отходов, большинство из которых не вовлекаются в процессы вторичной переработки, а продолжают занимать огромные площади потенциально плодородных земель и загрязнять окружающую среду [1].

Одним из наиболее значимых факторов, влияющих на окружающую среду, является производство строительных материалов, которое относится к группе самых материало- и энергоемких областей человеческой деятельности.

Во многих регионах России постоянно растет объем промышленных отходов, используемых строительной индустрией взамен природного сырья. Противоречия человека и экосистемы заключаются именно в том, что для искусственных производственных процессов человечеством избираются ресурсы, максимально готовые к употреблению, так как они требуют минимальных затрат труда. Но эти природные соединения уже участвуют в обеспечении равновесия и устойчивости окружающей среды [2]. После их изъятия из природного оборота во многих локальных природных средах возникает хаос, снижая эффективность обменных процессов. Извлекая природные строительные материалы (известняк, мел, доломит, магнезит, гипс, гранит,

песок, глина и др.) из их взаимосвязанных структур, человек вызывает дисбаланс в круговоротах. С одной стороны, потребности человечества удовлетворяются, с другой - разрушаются связанные природой системы, участвующие в сомоорганизованных процессах Геосистемы. Необходимо всегда следовать основному принципу сотрудничества человека и природы: скорость самоструктуризации в Геосистеме за счет естественных и скуственных процессов всегда должна превышать скорость их деградации [2].

Строительный комплекс создает искусственную среду обитания человека, меняет облик Земли и оказывает колоссальное влияние на окружающую среду. Частичным решением создавшейся кризисной проблемы является интенсивное вовлечение крупнотоннажных промышленных отходов в процессе переработки и утилизации, т.е. перевод отходов в категорию «вторичные ресурсы».

К одним из крупнотоннажных и распространенных относятся отходы

горнообогатительных комбинатов (ГОКов) - хвосты обогащения железистых кварцитов (ХОЖК). С целью разработки рекомендаций по утилизации ХОЖК в производстве строительных материалов нами исследовались ХОЖК Лебединского горнообогатительного комбината (ЛГОК) Белгородской области. ХОЖК представляют сосбой мелкозернистый порошок серого цвета, основным компонентом которого являются кварц ^Ю2) -более 60 %, соединения железа ^е304, Fe2O3, FeO) (рис. 1, табл. 1).

Ранее нами изучалась возможность использования ХОЖК в качестве пигментов-наполнителей в строительных материалах [3-9].

18.0 24.0 32.0 40.0 48.0

Рис. 1 - Рентгенограмма ХОЖК ЛГОКа

Таблица 1 - Количественный минералогический состав ХОЖК ЛГОКа, мас. %

Кварц Магнетит Гематит Альбит Анортит Магнезиум алюминиум фосфат Флагопит Гринерит

сч о со О со <и Ц- со О см Ш Ц- СО О со ся с го СО О го С/5 С\| < го О ю О Оъ С га о Л О О И-адЦ- ш О Ц- см см гаО ^С/5

60,8 6,4 7,7 5,9 4,35 3,35 5,2 6,2

Известно, что кварцевый песок широко используется для приготовления сухих строительных смесей (ССС) (рис. 2).

Рис. 2 - Использование кварцевого песка в составах различных сухих строительных смесей

Нами рассматривалась возможность

использования ХОЖК в качестве компонента для ССС, используемых для отделки фасадов. Последние уже давно широко используются в строительных и ремонтных работах. Технические требования к ССС зависят от их назначения и формируются в соответствующих нормативных документах.

Все декоративные фасадные штукатурные смеси различаются друг от друга не только по своей текстуре, но и по своему составу, точнее главной составляющей, на основе которой они были изготовлены. Обычно эти смеси делятся на три группы:

1. Минеральная (эта смесь изготовлена из модифицированного цементно-известкового

раствора);

2. Полимерная (изготовлена на основе дисперсионного раствора искусственной смолы);

3. Силикатная (изготовлена на основе жидкого стекла) [10].

Современная промышленность предлагает широкий набор сухих смесей, предназначенных для выполнения различных видов штукатурных работ, состав которых базируется на использовании всего спектра вяжущих - от обычных портландцемента до вяжущих низкой водопотребности, композиционных и смешанных вяжущих [11]. По этому принципу можно выделить следующие основные разновидности [12]:

• кладочные смеси для выполнения наружных работ;

• клеевые смеси для выполнения внутренних работ;

• выравнивающие сухие смеси;

• гидроизоляционные смеси;

• ремонтные сухие смеси.

Штукатурные смеси имеют большое значение в строительстве. Они представлены сегодня в самом широком ассортименте. Это могут быть и простые цементно-песчаные смеси с минимальным количеством добавок, и сложные составы со специальными модификаторами.

Известны ССС для приготовления строительного раствора, включающие цемент, песок и метилцеллюлозу; смесь, состоящая из известкового вяжущего [13], фракционированного песка и органических добавок; смесь, содержащая оксид магния, песок и модифицирующую добавку [14]. Авторами [15] предложен состав ССС для приготовления строительных растворов и мелкозернистых бетонов, содержащую цемент, до 79,95% песка и добавку поливинилового спирта. В работе [16] предложен состав ССС, содержащий портландцемент, до 85,6% песка, пластификатора С-3 и стеарата цинка. Как видим, многие ССС включают песок различного фракционного состава.

Свойства ССС для штукатурных работ регламентируются требованиями ГОСТ 31189-2003. Качество песка регламентируется требованиями ГОСТ 8736-93.

Поскольку основным минералом ХОЖК является кварц ^Ю2), то возможно использование этих отходов в составах ССС для штукатурных работ с полной или частичной заменой кварцевого песка.

В работе для приготовления ССС применяли следующие материалы:

- портландцемент ЦЕМ I 42,5 Н производства ЗАО «Белгородский цемент»;

- кварцевый песок Нижнеольшанского месторождения, г. Белгород;

- ХОЖК ЛГОКа, Белгородская область.

С целью выявления возможности использования ХОЖК в составе ССС в качестве заменителя песка были исследованы физико-химические свойства ХОЖК. Результаты ситового анализа кварцсодержащих компонентов представлены в табл. 2.

В соответствии с ГОСТ 8736-93 «Песок для строительных работ» по содержанию полного

остатка на сите № 063 % масс. ХОЖК и цементно-песчаного раствора при введении ХОЖК

исследуемый кварцевый песок относятся к группе в состав кремнеземистого компонента.

песков «очень мелкий».

Таблица 2 - Результаты ситового анализа кварцсодержащих компонентов

Размер фракци и, мм >1,4 1 1,4 0,63 1,0 0,315 0,63 0,25 0,315 0,14 0,315 0,08 0,14 ),063-0,08 <0,0 63

ХОЖК 0,94 0,82 3,09 16,71 1,99 21,14 24,34 24,7 6,17

Кварце вый песок 3,68 1,15 10,73 37,71 3,48 37,03 5,32 0,53 0,37

Для определения влияния отхода ХОЖК на активность цементного вяжущего было исследовано изменение предела прочности при сжатии цементного камня с различным содержанием отхода - при замене кварцевого песка на ХОЖК в количестве от 25 до 75 %. Активность цементного камня оценивали на образцах размером 20*20*20 мм, которые готовились из теста нормальной густоты и испытывались в возрасте 3, 7 и 28 суток хранения в нормальных условиях согласно ГОСТ 310.4-81.

0 25% ХОЖК 50% ХОЖК 75% ХОЖК 100% ХОЖК

Содержание ХОЖК в составе заполнителя

Рис. 3 - Кинетика изменения предела прочности на сжатие цементного раствора с учетом замены кварцевого компонента на ХОЖК

3 суто к

7 суто к

Установлено, что введение до 50 % ХОЖК в состав композиционного вяжущего способствует повышению его прочности на сжатие на всех этапах твердения (рис. 3). Максимальный прирост прочности составил 17 % в случае замены 25 % кварцевого песка на ХОЖК в возрасте образцов 28 суток. Дальнейшее увеличение содержания отхода в системе приводит к снижению прочности, что, вероятно, обусловлено увеличением

водопотребности смеси. Исходя из результатов микроскопических исследований (рис. 4), а также ранее полученных данных [17], высокая водопотребность ХОЖК обусловлена спецификой морфологии зерен, высокоразвитая поверхность которых, отличается шероховатостью с множеством остроугольных обломков, что в комплексе способствует гигроскопичности отхода.

Анализ полученных результатов с использованием комплекса физико-химических методов исследований показал интенсификацию процессов гидрато- и структурообразования

снижение интенсивности соответствующих дифракционных максимумов на РФА (рис. 5б), и переходом активных фаз в состав кристаллических гидросиликатов.

Отмечено изменение морфологии

кристаллогидратных новообразований, которая существенным образом влияет на конечную структуру и физико-механические свойства получаемого композита. Использование в качестве заполнителя 100 % кварцевого песка по результатам микроскопических исследований приводит к образованию слабо закристаллизованных рентгеноаморфных новообразований (рис. 6 - а), что подтверждается также данными РФА - фиксируется увеличение фона в области углов отражения 35-40° (рис. 5а).

цементно-песчаного раствора за счет структурирования межфазных слоев на границе заполнитель - минеральная матрица.

Рис. 5 — Рентгенограмма цементно-песчаного раствора в возрасте 28 суток с использованием в качестве мелкого заполнителя: а) — кварцевого песка без применения ХОЖК; б) - при замене 25% кварцевого песка на ХОЖК

Введение ХОЖК в количестве 25% взамен кварцевого песка, приводит к формированию хорошо закристаллизованных крупных игольчатых кристаллов новообразований - гидросиликатов кальция, с повышенной площадью контактных зон (рис. 6 - б), что обеспечивает увеличение прочности на сжатие готовых композиционных материалов.

Дальнейшее увеличение содержания ХОЖК до 75% способствует некоторому снижению прочностных свойств, хотя показатели остаются высокими - на уровне контрольного состава.

Использование в качестве заполнителя только ХОЖК приводит к снижению степени закристаллизованности новообразований (рис. 6 -д), увеличению содержания аморфной фазы, что оказывает влияние на снижение прочностных свойств получаемых композитов.

Таким образом, введение в состав мелкого заполнителя отходов ХОЖК в количестве 25% взамен кварцевого песка позволяет не только реализовать потенциальную возможность использования отходов промышленного

производства, но и повысить прочностные свойства

7. С.В. Свергузова, Г.И. Тарасова, И.В. Старостина, И.Г. Шайхиев, А.А. Внуков, Вестник Казанского технологического университета, 18, 6, 256-258 (2015).

8. С.В. Свергузова, Г.И. Тарасова, И.В. Старостина, Л.В. Денисова, И.Г. Шайхиев, А.В. Четвериков, Вестник Казанского технологического университета, 19, 6, 7476 (2016).

9. С.В. Свергузова, И.В. Старостина, Ж.А. Сапронова, Ю.И. Солопов, А.В. Четвериков, Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, 6, 197-201 (2016).

10. Виды декоративных фасадных штукатурок: Режим доступа: www.house-lab.ru/obdelka

11. В.С. Лесовик, Л.Х. Загороднюк, А.В. Шамшуров, Д.А. Беликов, Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.Шухова, 5, 2531 (2014).

12. В.В. Козлов, Сухие строительные смеси: учеб. Пособие, Изд-во АВС, М., 2000. 90 с.

13. В.И. Логанина, М.А. Садовникова, Сухие строительные смеси, 1, 14-15 (2015).

14. Патент РФ № 2233255 (2004).

15. Патент РФ № 2302398 (2007).

16. Патент РФ № 2262494 (2005).

17. S.V. Sverguzova, I.V. Starostina, E.V. Fomina, International Journal of Applied Engineering Research, 10, 24, 45082-45090 (2015).

18. Л.Х. Загороднюк, В.С. Лесовик, Е.С. Глаголев, А.А. Володченко, В.В. Воронов, А.С. Кучерова, Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.Шухова, 9, 40-52 (2016).

19. А.Н. Бобрышев, В.Н. Козомазов, Р.И. Авдеев, В.И. Соломатов. Синергетика дисперсно-наполненных композитов, ЦКТ, М., 1999. 252 с.

20. В.В. Ядыкина. Управление процессами формирования и качеством строительных композитов с учетом состояния поверхности дисперсного сырья: монография, Изд-во АСВ М., 2009. - 374 с.

21. В.В. Ядыкина, А.И. Траутваин, Фундаментальные исследования, 5, 174-179 (2005).

© С. В. Свергузова - д.т.н., профессор, зав. кафедрой промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, e-mail: pe@intbel.ru, И. В. Старостина - к.т.н., доцент каф. промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, Е. В. Фомина - к.т.н., доцент каф. промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, Л. А. Порожнюк - к.т.н., доцент каф. промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, Л. В. Денисова - к.х.н., доцент каф. теоретической и прикладной химии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, И. Г. Шайхиев - д.т.н., профессор, зав. кафедрой инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета.

© S. V. Sverguzova - Doc.sc.techn, professor, head of Shukhov's Belgorod State Technological University industrial ecology cathedra, e-mail: pe@intbel.ru, 1 V. Starostina - Can.Sc.Techn, docent of Shukhov's Belgorod State Technological University industrial ecology cathedra, E. V. Fomina - Can.Sc.Techn, docent of Shukhov's Belgorod State Technological University industrial ecology cathedra, L. A. Porozhnyuk - Can.Sc.Techn, docent of Shukhov's Belgorod State Technological University industrial ecology cathedra, L. V. Denisova - Can.Sc.Chem. docent of Shukhov's Belgorod State Technological University pure and applied chemistry cathedra, 1 G. Shaikhiev - Doc.sc.techn, professor, head of Kazan National Research Technological University engineering ecology cathedra.