Строительство и архитектура /4. Современные строительные материалы

Мирюк О.А. , д.т.н.

Рудненский индустриальный институт, Казахстан

Щелочесиликатные материалы из техногенного сырья

Значительная часть многотоннажных промышленных отходов обладает скрытыми гидратационными свойствами и относится к латентным вяжущим. Для химической активизации таких техногенных материалов используют известковый, сульфатный, щелочной, магнезиальный и смешанный компоненты. Состав активизатора определяется видом техногенной части вяжущего. При этом эффективны смешанные активизаторы, а также сочетание химической и термической активизации.

Отходы сухой магнитной сепарации (СМС) скарново-магнетитовых руд – зернистая масса с размером частиц до 25 мм и влажностью 1 – 2%. Химический состав отходов характеризуется стабильностью и представлен, мас.%: SiO₂ 40 – 45; Al₂O₃ 10 – 12; Fe₂O₃ 16 – 18; FeO 6 – 8; CaО 12 – 13; MgO 5 – 6; п.п.п. 3 – 6. Низкая удельная эффективная активность радионуклидов (53 – 55 Бк/кг), отсутствие токсичных выделений свидетельствуют о радиационно-экологической безопасности отходов.

Минеральную основу хвостов СМС слагают силикаты, отличающиеся генезисом, составом, структурой, физическими свойствами, химической активностью и термической устойчивостью, мас.%: пироксены (диопсид) 20 – 25; эпидот 10 – 13; полевые шпаты 8 – 12; хлориты 7 – 10; скаполит 8 – 11; гранаты (андрадит, гроссуляр) 7 – 12; амфиболы (актинолит) 7 – 14. В отходах присутствуют также, мас. %: кальцит 4 – 7; пирит 4 – 8; кварц 2 – 4; магнетит 3 – 4.

Тонкомолотые отходы обогащения руд, затворенные водой, не проявляют вяжущих свойств при нормальной температуре. Результаты исследований [1] свидетельствуют о целесообразности сочетания техногенного материала с магнезиальным вяжущим. Однако необходимость использования комплексного активизатора (каустический магнезит и раствор хлорида магния), а также агрессивность затворителя по отношению к стальной арматуре железобетона усложняют технологию смешанного вяжущего и ограничивают область его применения.

Цель работы – исследование возможности щелочной активизации отходов обогащения скарново-магнетитовых руд.

В качестве щелочного компонента использовали жидкое стекло, которым затворяли тонкомолотые отходы обогащения руд. Вяжущие свойства вещества оценивали по показателям прочности образцов – кубов с размером ребра 20 мм. Щелочесиликатные композиции твердели на воздухе при нормальной и повышенной температурах.

Для уточнения условий, благоприятствующих проявлению гидратационных свойств техногенного материала, изучено влияние плотности затворителя – жидкого стекла. Щелочесиликатные композиции, затворенные раствором жидкого стекла плотностью 1200; 1250 и 1300 кг/м³, подвергли сушке при температуре 100⁰С.

Выявлено значительное влияние концентрации затворителя на вяжущие свойства отходов обогащения руд. Увеличение плотности раствора жидкого стекла от 1250 до 1300 кг/м³ приводит к росту прочности в 1,5 – 2,5 раза.

Для сравнения исследованы щелочестекольные композиции на основе молотого стеклобоя, проявление вяжущих свойств которым под активизирующим воздействием жидкого стекла, известно из литературы [2]. Результаты испытаний показали, что прочностные характеристики композиций различного состава сопоставимы (рисунок 1). Это подтверждает возможность щелочной активизации гидратационных свойств отходов обогащения руд.

Стеклопорошок, проявляющий повышенную гидратационную активность при взаимодействии с жидким стеклом, использован в качестве инициатора твердения. Композиции отходов обогащения руд с молотым стеклобоем, затворенные раствором жидкого стекла плотностью 1300 кг/м³ и подвергнутые тепловой обработке при 100⁰С, характеризуются увеличением прочности по сравнению с показателями исходных компонентов на 5 – 17%. Предпочтителен состав с максимальным количеством отходов обогащения руд (рисунок 1).

Рисунок 1. Влияние вещественного состава на прочность

композиции из отходов обогащения руд и стеклобоя

Наличие щелочной среды в твердеющей массе способствует образованию тоберморитоподобных гидросиликатов кальция, соединений типа гидрогранатов, а также смешанных новообразований щелочно-щелочноземельного состава. Формирование гидратов происходит на основе минералов техногенного компонента, которые под действием щелочи разрушаются и приобретают способность к гидратации.

Показатели прочности щелочесиликатной композиции из отходов обогащения руд, твердеющей при нормальной температуре, свидетельствуют о медленном упрочнении материала в начальные сроки (рисунок 2). Для интенсификации твердения композиции из отходов обогащения руд вводили кремнефторид натрия, который традиционно используют в качестве отвердителя жидкого стекла в составе кислотоупорного цемента.

Добавка кремнефторида натрия увеличивает прочность твердеющей композиции в возрасте 1 сут в 2,8 – 4,5 раза (рисунок 2). Различие показателей прочности бездобавочного и модифицированных составов в последующий период твердения сокращается и к 28 сут практически отсутствует. Оптимальная концентрация кремнефторида натрия 3% массы отходов обогащения руд обеспечивает наибольшее упрочнение материала.

Исследовано влияние температуры тепловой обработки на твердение щелочесиликатной композиции.

Рисунок 2. Влияние добавки кремнефторида натрия

на прочность щелочесиликатной композиции

Обработка образцов при температуре 50⁰С вдвое увеличивает раннюю прочность бездобавочной композиции и почти не меняет показателей материала, модифицированного добавкой кремнефторида натрия (рисунок 3). Повышение температуры твердения до 100 ⁰С упрочняет в ранние сроки камень бездобавочного вяжущего почти в 20 раз, модифицированного вяжущего – в 4 раза. Увеличение температуры обработки композиций до 150 ⁰С нецелесообразно по причине снижения эффекта упрочнения.

Рисунок 3. Влияние температуры среды твердения

на прочность щелочесиликатных композиций (1 сут)

Влияние длительности предварительной выдержки на прочность термообработанных композиций определяется температурой прогрева. Для вяжущих, твердеющих при температуре свыше 50⁰ С, увеличение длительности выдержки до 5 – 8 ч сопровождается повышением прочности образцов. Для щелочесиликатной композиции с добавкой кремнефторида натрия период выдерживания перед нагреванием может быть сокращен до 4 – 6 ч. Образцы после 1 ч выдержки и тепловой обработки при 100 и 150⁰С характеризуются спадом прочности при последующем твердении.

Следовательно, отходы обогащения скарново-магнетитовых руд – техногенная основа щелочесиликатных композиций, твердение которых интенсифицируется при повышении температуры до 100 ⁰С, при введении добавки кремнефторида натрия. Сочетание отходов обогащения руд со стеклобоем способствует упрочнению композиции.

Активизация гидратационных свойств техногенного сырья позволяет вовлечь в производство малоэнергоемких строительных материалов значительные объемы различных отходов.

Предложенные составы вяжущих – основа для получения материалов с заданными свойствами. Экспериментально подтверждена возможность получения ячеистых щелочесиликатных композиций со средней плотностью 300 – 500 кг/м³ для теплоизоляции строительных конструкций.

Литература:

1. Мирюк О.А., Ахметов И.С. Вяжущие вещества из техногенного сырья. –Рудный: РИИ, 2002. – 250 с.

2. Меркин А.П., Сурков В.В. Кинетика физико-механических превращений измельченного стекла в щелочных растворах // Известия вузов. Строительство и архитектура. – 1982. – № 4. – С. 95 – 98.