Д.т.н., профессор Калашников В.И., к.т.н. Мороз М.Н.,

д.т.н., профессор Хвастунов В.Л., инженер Ибрагимов Р.А.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Перспективы создания геосинтетических композиционных материалов из высокодисперсных горных пород

Кафедрой «Технологии бетонов, керамики и вяжущих» Пензенского ГУАС были получены безобжиговые, водостойкие вяжущие средней и высокой прочности от 40 до 150 МПа и более в зависимости от вида щелочного активизатора, модификатора для связывания свободной кремнекислоты и вида тепловой обработки [1]. Однако получение геосинтетических вяжущих на воде без химических активизаторов твердения и модификаторов состава и структуры, до настоящего времени, представляло не решенную задачу. Хотя многие ученые изучали гидравлическую активность горных пород и отходов промышленности, прежде всего отходов ГОКов. Результаты испытаний затворенных водой тонкоизмельченных природных силикатов показали, что происходит их схватывание и твердение с формированием прочности в нормальных условиях до 2,3 -2,9 МПа, в условиях автоклавной обработки до 25,3-28,7 МПа.

В 1933 г М.Ф.Медведев первым обратил внимание на наличие вяжущих свойств у отходов асбестообогатительных фабрик (таблица), в 1951 г О.П. Мчедлов-Петросян исследовал вяжущие свойства серпентина, подвергнутого обжигу при 1000°С, в 1953г П.И. Боженов и B.C. Сальникова (таблица) исследовали возможность исследования широкого круга силикатов магния и их аналогов, содержащихся в горных породах и попутных продуктах промышленности, для производства различных строительных материалов.

В работах Юнга В.Н. совместно с Бубениным И.Г. (таблица) были изучены разнообразные горные породы с точки зрения их гидравлической активности.

Для определения активности порошков их подвергали выщелачиванию 5% раствором соды, определяли общее количество поглощённого гидрата окиси кальция, выражаемого в мг СаО на один грамм порошка. Результаты испытаний свидетельствовали о том, что тонкие порошки при взаимодействии с водой и раствором извести способны образовывать цементирующий гель при комнатной температуре.

Однако при обычных температурах твердения удовлетворительного эффекта удалось добиться на прессованных образцах, так как частицы порошков в таких стесненных условиях достаточно сближены и плёнки коллоидальных новообразований на поверхности зёрен способны слиться в общую цементирующую массу.

В таблице приводятся обобщённые данные по химическому и минералогическому составу порошков горных пород минералов, прочностные характеристики затворённых водой вяжущих на их основе в различные сроки твердения, а также с использованием в качестве добавок к ним 25 % гидратной извести и 5 % гипса.

По результатам проведённых исследований Юнг В.Н. сделал вывод о том, что порошки из дунита и натролита (состав 1,7 таблица) при твердении с водой при комнатной температуре имеют гидравличность, которая в значительной степени увеличивается при введении в состав порошков добавок в виде гидрата извести и гипса.

Для выяснения структуры затвердевших порошков горных пород были изготовлены и проанализированы тонкие микрошлифы из образцов трёхмесячного возраста. Так, например, при рассмотрении тонкого шлифа из затвердевшего порошка дунита, затворенного водой без добавок установлено, что образец состоит из большого количества обломков кристаллов оливина размерами от 0,01 до 0,08 мм, значительного количества зёрен магнетита и меньшего количества обломков волокнистых кристаллов серпентина. Цементирующей массой является субмикроскопическое зернистое изотропное, слегка буроватое вещество. Обломки кристаллов оливина, магнетита, серпентина и других минералов равномерно распределены в цементирующей массе и отделяются прослойкой толщиной от 0,005 до 0,015 мм. Отчётливой границы между кристаллами оливина и цементирующей массой не обнаружено, причём эта масса занимает около 36% объёма затвердевшего твёрдого тела. В тонком микрошлифе из затвердевшего порошка отходов хризотиласбеста обнаружено большое количество обломков волокнистых кристаллов серпентина, магнетита, оливина и небольшие скопления мелкокристаллического карбоната, сцементированных субмикроскопически зернистой изотропной массой. В цементирующей массе наблюдаются мелкие зёрнышки карбоната, а также равномерно распределённые обломки кристаллов серпентина, магнетита и оливина с толщиной прослоек от 0,005 до 0,1 мм. Размеры обломков кристаллов колеблются от 0,003 до 0,03 мм.

Приведенные результаты показали способность тонкоизмельчённых порошков горных пород к гидравлическому твердению.

Новые уникальные результаты, полученные нами при изучении гидравлических свойств тонкозернистой волокнистой модификации кремнезема – халцедона Иссинского месторождения Пензенской области. Эта порода по происхождению относится к колломорфной, образовавшаяся в результате затвердевания коллоидного раствора. На первой стадии изучили прочностные и реологические свойства суспензии халцедона с дисперсностью 900 м²/кг в присутствии зарубежных и отечественных суперпластификаторов (дозировка 1% от массы халцедона) на меламиновой основе СМF-10, Меlment F-10), поликарбоксилатной (Melflux PP 100 F, Melflux PP 1641 F, Woerment FM 787) и нафталинсульфокислотной основе (С-3). Суперпластификатор вводился с водой затворения. Выявлено, что из совокупности горных пород – диабаза, песчаника кремнеземистого и глауконитового, гранита, диорита, халцедон является чрезвычайно высокоизбирательной горной породой по отношению ко всем указанным суперпластификаторам. Водоредуцирующий эффект суспензии халцедона достигает трехкратного значения. Водо-твердое отношение контрольной суспензии, равное 0,5, снижается до 0,18 при сохранении гравитационной растекаемости при предельном напряжении сдвига 10-15 Па. Такое снижение водосодержания позволило методом литья суспензии с СП С-3 изготовить образцы-кубы с размерами 30 × 30 × 30 мм. Прочность на осевое сжатие образцов при нормальных условиях твердения через 28 суток составила 44 МПа, что значительно выше прочностных показателей отверждённых горных пород, представленных в таблице. Прочностные показатели халцедона, затворенного водой с суперпластификатором С-3, значительно превышают прочность силикатов магния и их аналогов, твердевших в условиях автоклавной обработки.

Попытка понизить водосодержание халцедоновой суспензии путем замены (на 60% по массе) высокодисперсного порошка с удельной поверхностью 900м²/кг на халцедон с S_уд=300 м²/кг, не позволила получить заметного позитивного результата: водотвердое отношение понизилось с 0,180 до 0,165. Несмотря на понижение водосодержания, образцы из такой смеси имели низкую прочность при твердении на воздухе и размучивались в воде.

Таблица – Прочностные показатели горных пород

№ п/п	Горные породы и отходы производства	Формула	Химический состав горных пород							Предел прочности на сжатие, МПа			Состав порошков
			SiO2	R2O3	CaO	MgO	SO3	П.П.П	H2O	ч/з 7 дней	ч/з 28 дней	ч/з 90 дней
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
1	Отходы при обогащении дунита на платину (магнетит, серпентин, оливин)	(Mg, Fe)2[SiO4] Mg6[Si4O10] [OH]8 Fe Fe2O4	33,8	10,4	1,0	42,5	0,2	9,9	3,0	5,2 4,7	10,5 14,7	13,2 22,5	без добавки 25% Ca(OH)2
2	Отходы при переработке хризотиласбеста на асбест (магнетит, серпентин)	Mg6[Si4O10] [OH]8 Fe Fe2O4	40,3	11,9	1,0	36,4	0,1	10,9	-	5,0 7,2	6,5 12,5	5,0 15,5	без добавки 25% Ca(OH)2
3	Вторичные кварциты порфировых медных руд	-	79,3	15,7	1,2	-	0,8	2,2	-	1,5 1,4	1,0 6,0	0,2 17,2	без добавки 25% Ca(OH)2
4	Отходы талькового производства	Mg2[Si4O10] [OH]2	48,5	7,4	2,4	29,7	-	12,6	-	0,9 1,5	1,0 8,2	- 15,0	без добавки 25% Ca(OH)2
5	Глауконитовый песок фосфоритных происхождений	(Fe^3+, Fe^2+)2-2,5	39,8	28,9	19,1	2,2	-	7,0	-	3,4 5,5	3,5 6,2	3,5 12,0	без добавки 25% Ca(OH)2
6	Пироксен (байкалит)	-	53,8	5,4	24,1	16,3	0,5	0,2	-	1,5 1,2	- 5,0	- -	без добавки 25% Ca(OH)2
7	Натролит	Na[Al2Si2O10]×2H2O	41,4	33,9	4,1	0,5	0,6	11,2	-	2,0 7,5 12,0	1,0 9,7 12,2	- - -	без добавки 25% Ca(OH)2 5% гипса
8	Эгирин	NaFe[Si4O10]	51,8	40,0	2,0	1,4	0,6	2,5	-	0,1 2,3 4,5	0,5 5,0 11,7	- - -	без добавки 25% Ca(OH)2 5% гипса
9	Роговая обманка	(Na, K)0-1 (Ca,Na)2 ( Mg, Fe^2+,Al,Fe^3+, Ti)5 ×(OH, F, Cl, O)2 [(Si,Al)4O11]	52,8	12,6	8,8	20,5	0,4	2,0	-	1,0 1,0 2,7	2,5 5,0 8,2	- - -	без добавки 25% Ca(OH)2 5% гипса

Это позволило высказать гипотезу о том, что присутствие более грубомолотого халцедона отрицательно сказалось на «наработке» коллоидной фазы, цементирующей композицию. Предположительно цементирующим веществом является кремнекислота, в связи с тем, что содержание кремнезема в халцедоне по результатам химического анализа составляло 96,7 %. Можно полагать, что к формированию твердеющей структуры с водой способны и другие породы колломорфного происхождения, что требует дополнительных исследований.

Литература

1. Калашников В.И. Перспективы развития геополимерных вяжущих. //Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: Восьмые академические чтения РААСН. – Самара, 2004. – С. 193-196.