Строительство и архитектура/4.Современные строительные материалы

Аспирант Лашина И.В., магистрант Черепанова И.А.

Белгородский государственный технологический

университет  им. В.Г. Шухова, Россия

 

Применение отходов горнодобывающей промышленности как сырья для производства эффективных строительных композитов

На современном этапе развития строительного материаловедения особую актуальность приобретают задачи выпуска высокоэффективных стеновых материалов с улучшенными теплоизоляционными характеристиками, производство которых опирается на ресурсосберегающий, высокоэкологичный, универсальный принцип синтезного твердения и структурообразования искусственного камня из смесей доступных природных и техногенных щелочных и кислотных оксидов [1-5].

В современном строительстве широко используются стеновые силикатные материалы гидратационного твердения. Большая часть их производится на основе специально разрабатываемых для этих целей месторождений исходного сырья, в частности, кварцевого песка. В то же время по России общий объем отходов промышленности ежегодно составляет миллиарды тонн. На месторождении Курской магнитной аномалии (КМА) большую часть этого объема составляют попутно добываемые нетрадиционные для промышленности строительных материалов песчано-глинистые породы, спецификой которых является незавершенность процессов глинообразования [6-12].

Актуальной является задача разработка технологии получение материалов повышенной водостойкости на основе песчано-глинистых пород при невысоких температурах гидротермальной обработки или вообще без таковой за счет использования глинистых пород незавершенной стадии глинообразования, содержащих термодинамически неустойчивые минералы, таких как смешанослойные минералы, тонкодисперсный слабоокатанный кварц, несовершенной структуры гидрослюда, реже Ca2+монтмориллонит и каолинит. Природные процессы выполнили часть работы по дезинтеграции породы, что привело к увеличению энергетического потенциала породообразующих минералов. Это, вероятно, ускорит процесс их разрушения с образованием цементирующих соединений в гидротермальных условиях без давления [13-18].

Песчано-глинистые породы представляют собой весьма сложные полиминеральные, полидисперсные системы с весьма разнообразной коллоидно-химической природой тонкодисперсной части. Физико-химическая и химическая активность глины в зависимости от ее природы и условий среды, создаваемой и изменяемой в процессе обработки, может быть полезной или, наоборот, агрессивной в отношении процессов структурообразования [19-20].

Наиболее важной особенностью любой дисперсной системы, включая глинистые породы и ряд вяжущих материалов (например, цемент или известь), является высокоразвитая поверхность, на которой протекают адсорбционные поверхностные явления, обусловливающие структурно-механические свойства дисперсных систем. Из этого следует, что адсорбционные свойства дисперсных тел и, в частности, глин и вяжущих материалов являются основой для направленного формирования физических и механических свойств укрепленных глинистых пород.

В качестве характеристики, отражающей природу процессов структурообразования в системе «песчано-глинистая порода–вяжущее», можно использовать качественную зависимость между прочностью и стабильностью механических свойств материала, с одной стороны, и содержанием в нем вяжущего – с другой. Характер этой зависимости определяется относительной ролью, которую играют в создании структуры материала способность вяжущего к самостоятельному структурообразованию и его взаимодействие с породообразующими минералами.

Физические характеристики используемых песчано-глинистых отходов исследовали по известным методикам в соответствии с ГОСТ 5180–84 и ГОСТ 8735–88.

Минералогический состав отходов и получаемых материалов исследовался с помощью термографического, рентгенографического и электронно-микроскопического методов анализа.

Для исследований были использованы три разновидности песчано-глинистых отходов региона Курской магнитной аномалии (КМА): супесь с числом пластичности 6, суглинок с числом пластичности 7 и глина с числом пластичности 17,5. Визуально отходы представляют собой рыхлые породы коричневого цвета. Основная масса глинистого материала имеет пелитоморфномикрочешуйчатое строение, неравномерно окрашена органическим веществом и гидроокислами железа. Количество глинистых фракций менее 0,005 мм для суглинка и глины колеблется в пределах 31,5–41,7 мас. %. Содержание псаммитовых частиц для суглинка и глины находится в пределах 0,2–0,5 мас. %, для супеси – 15,7 мас. %. Содержание карбонатов во включениях находится в пределах 0,02– 0,06 мас. %.

Количественный минералогический анализ псаммо-алевритовой фракции отходов свидетельствует о том, что в составе преобладает кварц (35–38 мас. %). В качестве второстепенных минералов следует отметить кальцит до 5%, полевой шпат от 5 до 13 мас. %, слюды 0,5–1 мас. %.

Химический состав показывает, что породы имеют высокое содержание кремнезема и относятся к категории кислых (таблица 1).

Таблица 1 – Химический состав песчано-глинистых пород

Порода

SiO2

общ.

SiO2

своб.

Al2O3

 

TiO2

Fe2O3

CaO

MgO

K2O

Na2O

п.п.п.

Сумма

 Супесь

82,87

61,78

6,70

0,42

2,63

1,77

1,03

1,26

1,10

2,05

99,83

 Суглинок № 1

73,0

38,05

10,4

0,72

3,60

2,32

1,32

1,86

1,29

3,95

98,46

 Суглинок № 2

65,1

35,12

12,5

0,77

4,36

3,21

1,64

1,93

1,74

5,76

97,01

 

Глинистая фракция (рис. 1) отходов представлена монтмориллонитом, гидрослюдой, каолинитом, при этом глинистые породы, вероятно, содержат смешаннослойные образования типа гидрослюда-монтмориллонит.

 

 

а

б

Рисунок 1 – Термограммы (а) и рентгенограммы (б) песчано-глинистых пород:

1 – супесь; 2 – суглинок № 1; 3 – суглинок № 2

 

Таким образом полиминеральный состав изучаемых песчано-глинистых пород, являющиеся природным нанодисперсным сырьем и их термодинамическая неустойчивость определяет возможность взаимодействия с известью с образованием цементирующих соединений при гидротермальной обработке без давления и, соответственно, получения стеновых силикатных материалов с низкими энергозатратами.

Статья подготовлена в рамках программы развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова на 2017-2021 годы.

1. Алфимов С.И., Жуков Р.В., Володченко А.Н., Юрчук Д.В. Техногенное сырье для силикатных материалов гидратационного твердения // Современные наукоемкие технологии. 2006. № 2. С. 59-60.

2. Лесовик В.С., Володченко А.А. Влияние состава сырья на свойства безавтоклавных силикатных материалов / Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 1. С. 10-15.

3. Володченко А.А. Использование нетрадиционного глинистого сырья для получения силикатных материалов по энергосберегающей технологии / Успехи современного естествознания. 2015. № 1-4. С. 644-647.

4. Wolodtschenko A.A., Lessowik W.S. Рydraulisch erhärtende "grüne" verbundwerkstoffe auf basis energiesparender tone / В сборнике: 19-te Internationale baustofftagung ibausil 2015. 2015. С. 1351-1356.

5. Volodchenko A.A., Lesovik V.S., Volodchenko A.N., Zagorodnjuk L.H. Improving the efficiency of wall materials for «green» building through the use of aluminosilicate raw materials / International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Т. 10. № 24. С. 45142-45149.

6. Володченко А.А., Загороднюк Л.Х., Прасолова Е.О., Чхин С. Нетрадиционное глинистое сырье как компонент неорганических дисперсных систем / Вестник МГСУ. 2014. № 9. С. 67-75.

7. Lesovik V.S., Volodchenko A.A., Svinarev A.V., Kalashnikov N.V., Rjapuhin N.V. Reducing energy intensity of production of non autoclave wall materials / World Applied Sciences Journal. 2014. Т. 31. № 9. С. 1601-1606.

8. Володченко А.А., Лесовик В.С., Чхин С. Стеновые материалы на основе нетрадиционного сырья / Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2014. № 5. С. 53-57.

9. Лесовик В.С., Володченко А.А. Долговечность безавтоклавных силикатных материалов на основе природного наноразмерного сырья / Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 2. С. 6-11.

10. Володченко А.А., Загороднюк Л.Х. Нетрадиционное сырье для стеновых материалов Международный научно-исследовательский журнал. 2014. № 9 (28). С. 27-29.

11. Volodchenko A.A., Lesovik V.S., Zagorodnjuk L.H., Volodchenko A.N. Influence of the inorganic modifier structure on structural composite properties / International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Т. 10. № 19. С. 40617-40622.

12. Lesovik V.S., Zagorodnjuk L.H., Volodchenko A.N., Aleksandrovna K.A. The control of building composite structure formation through the use of multifunctional modifiers Volodchenko A.A. / Research Journal of Applied Sciences. 2016. Т. 10. № 12. С. 931-936.

13. Прасолова Е.О., Володченко А.А., Попов М.А., Гинзбург А.В. Анализ сырья для получения наномодификатора / В сборнике: Наукоемкие технологии и инновации Юбилейная Международная научно-практическая конференция, посвященная 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова (XXI научные чтения). 2014. С. 297-301.

14. Lessowik W.S., Potapow W.W., Alfimowa N.I., Elistratkin M.J., Wolodchenko A.A. Nanodisperse modificators for building material engineering / В сборнике: 19-te Internationale baustofftagung ibausil 2015. 2015. С. 487-493.

15. Володченко А.А., Загороднюк Л.Х., Прасолова Е.О., Ахмед Ахмед А.А., Кулик Н.В., Коломацкий А.С. Проблема рационального природопользования / Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2014. № 6. С. 7-10.

16. Лесовик В.С., Загороднюк Л.Х., Чулкова И.Л., Толстой А.Д., Володченко А.А. Cродство структур как теоретическая основа проектирования композитов будущего / Строительные материалы. 2015. № 9. С. 18-22.

17. Володченко А.Н., Лесовик В.С., Алфимов С.И., Володченко А.А. Регулирование свойств ячеистых силикатных бетонов на основе песчано-глинистых пород // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2007. № 10. С. 4-10.

18. Volodchenko A.A., Lesovik V.S., Volodchenko A.N., Glagolev E.S., Zagorodnjuk L.H., Pukharenko Y.V. Composite performance improvement based on non-conventional natural and technogenic raw materials / International Journal of Pharmacy and Technology. 2016. Т. 8. № 3. С. 18856-18867.

19. Zagorodnjuk L.H., Lesovik V.S., Volodchenko A.A. To the question of dry mortars components mixed in various mixing units / International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Т. 10. № 24. С. 44844-44847.

20. Лесовик В.С., Володченко А.А. К проблеме техногенного метасоматоза в строительном материаловедении / Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2015. № 4. С. 38-41.