Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

М.т.н. Альгожина Ж.А., м.т.н. Спичак Е.В.

Карагандинский государственный индустриальный университет, Казахстан

Исследование гипсосодержащей породы на примере Майозекского месторождения

Для современного строительства характерна тенденция роста доли экологически безопасных материалов и изделий. В этом аспекте являются перспективными строительные материалы и изделия, изготовленные на основе гипсовых вяжущих, которые отличаются высокими техническими и эколого-экономическими показателями свойств материалов и изделий из них.

По химическому составу гипс нетоксичен, при его переработке не выделяется в окружающую природную среду СО₂. Поэтому (в отличие от цемента и извести) получаемые из него вяжущие не являются аллергенами и не вызывают заболевание силикозом. Производимые на его основе строительные материалы и изделия имеют высокие показатели свойств (легкость, малую тепло- и звукопроводность, высокие огне- и пожаростойкость, а также декоративность). Нельзя не отметить и то, что гипсовые материалы и изделия создают благоприятный микроклимат в помещениях за счет способности поглощать избыточную влагу и отдавать ее, когда в помещениях «сухо» [1].

Основным источником сырья для производства гипсовых материалов и изделий являются природные месторождения гипса и ангидрита, а также в небольшой степени месторождения гипсосодержащих пород. Кроме того, в качестве перспективного сырья для получения гипсовых вяжущих материалов следует рассматривать гипсосодержащие отходы ряда производств (фосфогипс, фторангидрит, титаногипс, витаминный гипс, борогипс и др.) [2].

В Центральном Казахстане открыты месторождения гипсосодержащей породы с залежами в миллиарды тонн. Отсутствие производства гипса в Казахстане и необходимость в его получении существенное значение приобретает исследование местного сырья сульфатно-карбонатной породы Майозекского месторождения с целью получения гипсового вяжущего материала, изучение влияния добавок на качество гипсового вяжущего, разработка технологических режимов обработки сырья.

Гипсосодержащая порода Западно-Майозекского месторождения имеет рыхлую структуру светло-серого цвета. Для исследования проба дополнительно дробится и просеивается через сито 0,16 меш. Для установления химического состава проведен анализ. Известно, что главными породообразующими минералами карбонатных пород являются кальций СаСО₃, доломит Са, Мg(СО₃)₂, магнезит МgCO₃. В качестве примесей в карбонатных породах присутствуют силикаты, гидратированные и безводные оксиды железа, сульфат кальция, фосфаты кальция и железа, органические вещества.

Рисунок 1 – Структура гипсовых кристаллов Майозекского Месторождения, полученная микрорентгеновским способом

Химические анализы свидетельствуют о том, что качество гипсосодержащего сырья не соответствует требованиям ГОСТ 4013 – 82. В связи с этим проведена работа по разработке технологии переработки горной породы Западно – Майозекского месторождения, содержащее гипсовое сырье

Выполнены эксперименты: отмывка в горячей воде, действие соляной и серной кислот, добавка сульфатов натрия и аммония, хлорида кальция, оксидов кальция и магния, высушивание породы до 900^оС.

Так как порода карбонатно-сульфатная, то с целью удаления карбонатов порода обрабатывалась серной кислотой.

Методом титрования определялся объем серной кислоты для удаления карбонатов. Затем порода просушивалась при 140-150⁰С и определялась на прочность. Данные показателя предела прочности образцов составляют после суточной просушки 43,94 - 46,86 кГс/см².

Нагрев породы до 900^оС без добавки и добавкой MgSO₄ привел систему к потере схватывания. Образец легко ломается.

При обработке пробы соляной кислотой, которая легко растворяет карбонаты из раствора выпадает в осадок значительное количество сульфата кальция. Так из навески 0,7961 г выделяется 0,3100 г СаSO₄·2Н₂О (38,93%).

Обработка породы 0,5%, 1%, 5%, 8% H₂SO₄ ( к массе пробы). Прибавка серной кислоты растворяла карбонаты и обогащала породу сульфат – ионами. Проба высушивалась при 150^оС, а затем проверялась на схватываемость воды и прочность. Результаты занесены в таблицу 1.

Таблица 1 - Влияние на гипсовую породу серной кислоты

H2SO4	0,5%	1%	5%
Состояние гипсовой породы	Проба крошится	Схватывание через 1 – 2 мин	Схватывание через 15мин

Добавка к породе (NH₄)₂SO₄ в отношении 1:3, а также Na₂SO₄·10 H₂O немного улучшила схватывание породы, но оказалась не прочной.

Обработка породы 40 – 50 % (NH₄)₂SO₄ при 80^оС в течении 3 – 4 часов. Процесс идет по реакции .

Суспензия перемешивалась вращающей электромешалкой. Проба отфильтровывалась от маточного раствора, промывалась и высушивалась при 150^оС. Образцы темные и ожидаемых показателей прочности на излом не дали.

Полное растворение пробы происходит после спекания. Спекающая смесь: 3 части Na₂CO₃ и 2 части Na₂B₄O₇·10H₂O. Температура плавления 900⁰С. Тигель платиновый. Время спекания 6 минут

Качественный анализ показал присутствие железа (III) и отсутствие железа (II).

Результаты анализа рентгеноспектрального метода сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Состав карбонатно-сульфатной породы

CaO	50,0%
MgO	0,02%
Al2O3	1,53%
C	2,42%
SO3	45,61%
SiO2	0,40%
H2O	10,6%
Орг	0,6%

После растворение пробы в соляной кислоте, а также серной кислоте высвобождаются ионы кальция и карбоната, которые связываются с сульфат - ионами в малорастворимое соединение CaSO₄, которое выпадает в осадок.

Таким образом, было установлено, что минеральное сырье в основном представляет собой сульфатно–карбонатную породу, с небольшим содержанием фосфат – ионов, растворимых форм кремния, алюминия

По данным анализа установлено в образцах не достаточное количество сульфат ионов и присутствие большого количества карбонатов, которые не являются вяжущим.

Основным источником сырья для производства гипсовых материалов и изделий являются природные месторождения гипса и ангидрита, а также в небольшой степени месторождения гипсосодержащих пород.

В Центральном Казахстане открыты месторождения гипса с залежами в миллиарды тонн.

В связи с этим актуальным является:

- исследование состава, свойств и параметров гипса Майозекского месторождения;

- изучение влияния добавок на качество гипсового вяжущего;

- разработка технологических режимов обработки сырья;

- гипс перспективен в использовании при ликвидации аварий на шахтах, для возведения взрывоустойчивых перемычек и других нужд горноспасательной практики.

В результате проведенных исследований получены данные, что при изменении технологии, температурного режима у гипса улучшается качество и повышается марка вяжущего до Г – 19.

Литература:

1. Б.А. Базаров, В.А. Арбузов, Н.Ф. Гавва, Ж.А. Альгожина, Е.В. Спичак. Возможность использования Западно-Майозецкого месторождения в качестве гипсовяжущего. Республиканский научный журнал «Технология производства металлов и вторичных материалов» №1 (17) февраль, 2010. - 331-335 с.

2. Семёновский Ю.В., Шишкин А.В. Гипс и ангидрит. Справочник. М., 1998. - 33 с.