CC BY
69
-т
SCIENCE TIME
ИСКУСТВЕННЫЕ-ТЕХНОГЕННЫЕ ПЕСКИ В
ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ-РЕШЕНИЕ ИЛИ ПРОБЛЕМА?
Комарова Наталья Дементъевна, Северо-кавказский филиал Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, г. Минеральные Воды
E-mail: komarovand@list.ru
Комарова Ксения Сергеевна, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород
E-mail: varanga135@mail.ru
Аннотация. Данная статья посвящена вопросам возможного использования при производстве строительных материалов техногенных песков. Рассмотрены возможные положительные и отрицательные факторы влияющие на физико-механические характеристики получаемых материалов и изделий.
Ключевые слова: техногенные пески, морфология, структура, текстура, отсев дробления.
Промышленность нерудных строительных материалов является неотъемлемой частью строительного комплекса. При открытом способе разработки горнорудных месторождений наряду с добычей основного продукта разрабатываются огромные объемы нерудных полезных ископаемых, значительная часть которых может быть эффективно использована в производстве строительных материалов [1-3].
Искусственные-техногенные пески образуются в основном в результате механического разрушения горных пород различного состава и строения при обогащении полезных ископаемых и получении щебня (отсев дробления). В меньшей степени распространены пирогенные и практически совсем не применяются хемогенные и биогенные пески.
Существенно отличие искусственных-техногенных песков, от природных по минеральному составу, происхождению, структуре и текстуре. Применение этого сырья особенно актуально в районах, где отсутствуют природные пески
удовлетворительного качества.
Использование такого сырья в производстве строительных материалов специфично, как на стадии приготовления сырьевой смеси, так и при синтезе композитов [4].
Ежегодно в отвалы горно-обогатительных комбинатов (ГОКов) поступают десятки миллионов тонн так называемых железорудных и другого состава «хвостов» и в каждом рудосодержащем бассейне их накопилось сотни миллионов тонн.
Визуально отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов («хвосты») представляют собой техногенный тонкодисперсный песок темно-серого цвета, состоящий из неокатанных частичек кварца (около 60 %), полевых шпатов, амфиболов, карбонатов, магнетита, гематита и их агрегатов. Модуль крупности значительно меньше 1, около 80-85 % частичек - меньше 0,074 мм, средневзвешенный диаметр 0,08-0,13 мм.
Они отличаются от традиционно применяемого песка полиминеральным и полифракционным составом, а также наличием минералов различных генетических типов. Зерна техногенного происхождения имеют остроугольные сколы, видны следы механического воздействия, что приводит к отличию морфологии их поверхности - шероховатости - от природных аналогов (рис.1)
[5].
Анализ литературных источников по изучению возможности применения данного техногенного песка в строительстве показал, что данный материал имеет достаточно широкую область использования.
Так, эффективно их применение при производстве силикатного кирпича и газошламо силикатного бетона. Применение данного вида сырья позволяет исключить дорогостоящий помол исходного силикатного компонента.
Достаточно детально изучена возможность применения «хвостов» в качестве кремнеземистого компонента при получении смешанных вяжущих, таких как вяжущие низкой водопотребности (ВНВ), тонкомолотые цементы и т.д. Что позволяет снизить себестоимость полученного конечного продукта.
Эффективно использование этих отходов при производстве крупнотоннажных керамических материалов, и в первую очередь строительной керамики. Для этих целей рекомендуется применять химически активные вещества, способствующие интенсификации различных технологических переделов. Это могут быть также золы и шлаки тепловых электростанций; фосфор- и фторсодержащие шлаки; отходы нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей промышленности; смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ); кубовые остатки высших жирных кислот; металлургические шлаки и шламы; отходы угледобычи и углеобогащения и т. д. Для неорганических отходов характерно то, что они сложены в основном стеклофазой.
-т
SCIENCE TIME
Форма зерна
Шероховатость поверхности зерна
Форма зерна
Форма зерен
б)
Шероховатость поверхности зерна
в)
Шероховатость зерен
Рис. 1 Структура зерен природного и техногенного песков: а) зерно кварца природного песка; б) зерно кварца техногенного песка; в) полиминеральный техногенный песок
Установлена возможность замены пиритных огарков хвостами мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов Михайловского ГОКа. При их использовании расходные коэффициенты по сырью на 1 т клинкера снижаются примерно на 50 кг. При КН = 0,92 и n = 2,4 мела необходимо использовать на 41 кг, глины - на 18,2 кг меньше, а хвостов - на 9,4 кг больше, чем пиритных огарков. Из печного шлама с железосодержащими отходами Михайловского ГОКа можно стабильно получать цемент марки 500.
Использование 10-20% хвостов магнитной сепарации Соколово-Сарбайского ГОКа (ССГОКа) позволяет исключить из шихты пиритные огарки, частично или полностью заменить алюмосиликатный компонент и сократить долю карбонатной составляющей [18]. Также в виде отходов от производства нерудных строительных материалов и горно-обогатительных комбинатов имеется еще одна подотрасль строительного комплекса, поставляющая на стройки облицовочный камень и имеющая от этого производства также огромные массы тонкозернистых отходов при его добыче и пилении на блоки или облицовочную плитку. В структуре разведанных запасов преобладают мраморы и мраморизованные известняки (50,7%), а также граниты и другие прочные изверженные породы (39,3%) [6].
Интересны работы по возможности использования техногенных песков при производстве безобжиговых вяжущих.
Так были обнаружены вяжущие свойства у отходов асбестообогатительных фабрик, а также исследованы аналогичные свойства у серпентина, подвергнутого обжигу.
В работах В.Н. Юнга совместно с И.Г. Бубениным [7] были изучены разнообразные горные породы с точки зрения их гидравлической активности, особенно те породы, которые являлись отходами производства, доказана возможность получения высокопрочных бесцементных вяжущих путем малощелочной активации смесей высокодисперсных отходов от добычи гонных пород и шлаков.
Доказано, что отходы добычи и обогащения угля являются ценным сырьем для производства керамических стеновых материалов. Расход топлива сокращается на 30-40%, себестоимость снижается на 25-30%. Введение углесодержащих отходов позволяет выпускать качественный керамический кирпич даже из некондиционных глин [8].
Во многих работах изучена особенность шлаков Оскольского Электро-металлургического комбината (ОЭМКа). Показано, что предотвратить процесс самораспада электросталеплавительных шлаков возможно путем корректировки минерального состава шлакового расплава введением легирующих добавок, что зависит от металлургов. Для дорожного строительства возможно использование шлаков с отвалов с устойчивой структурой в виде песчано-гравийной смеси.
Анализ производства отсевов дробления изверженных горных пород выполненных различными исследователями: М.Л. Нисневичем, Е.И.Левиной, С. А. Мышковской, А.И. Поляковой, В.М. Юмашевым и др. [11] свидетельствует о том, что отсевы дробления в целом могут быть отнесены к группам очень крупных (Мкр = свыше 3,5), повышенной крупности (Мкр=3,0-3,5) и крупных (Мкр=2,5-3,0) песков.
Отличительными особенностями отсевов дробления является: форма и состояние поверхности зерен-преимущественно угловатая с шероховатой поверхностью; значительное содержание зерен мельче 0,16 мм- обычно в пределах 4-17% и до 25%, в т.ч. содержание пылевидных и глинистых частиц-обычно 7-12% и более, хотя содержание собственно глинистых частиц, определяемых набуханием, невелико и составляет 0,3-0,5%.
Отсевы дробления изверженных горных пород производятся дробильно-сортировочными заводами, камнеперерабатывающими, горнодобывающими предприятиями РФ и других стран СНГ. Структура и текстура изверженных горных пород такова, что при технологических переделах, связанных с дроблением горной массы, обязательно образуются мелкие фракции размером до 5-10 мм, представляющие «отсевы дробления» [9].
В результате технологической переработки исходной породы отсевы дробления слагаются зернами, принявшими более правильную геометрическую форму (кубовидную) и неправильную (лещадную). Для крупных фракций отсевов (2,5-5 мм) характерна кубовидная форма с «заваленными» углами. С уменьшением размера форма зерен меняется, становясь игольчатого типа, более угловатой, удлиненной, что более свойственно для мономинеральных зерен.
Особенностью зернового состава отсевов дробления является значительное содержание пылевидных частиц. Исследования минералогического состава пылевидных частиц отсевов дробления показали, что они состоят преимущественно из основных породообразующих минералов: преобладают обломки пелитизированных полевых шпатов и кварца, присутствуют рудные и темноцветные минералы, а также глинистые минералы [10].
Минералогический состав глинистой фракции (менее 0,001 мм) частиц отсевов дробления отличается от глинистых фракций пылевидных частиц природных песков повышенным количеством коалинита, хлорита и уменьшенным содержанием монтмориллонита и иллита, что объясняет их различную способность к набуханию.
Пылевидные частицы отсевов дробления размещены неравномерно на поверхности зерна отсева. Наибольшее скопление пылевидных частиц наблюдается в местах выхода кристаллов полевого шпата, наименьшее- в местах выхода кристаллов кварца. Выделенные пылевидные частицы представляют собой агрегаты с коагуляционными связями, размером преимущественно менее
SCIENCE TIME
15-20 мкм. Зерновой состав пылевидных частиц отсевов дробления Вуоксинского, Игнатпольского и Коростеньского щебзаводов, полученный сухой сепарацией и по данным седиментационного анализа, представлен в табл.1 и табл.2.
Таблица 1
Зерновой состав пылевидных частиц
Пылевидные частицы отсевов дробления дробильно-сортировочных заводов Содержание фракций, мкм, %
Более 140 140-80 80-70 70-60 60-50 Менее50
Вуоксинского 2,1 7,3 7,4 1,2 4,7 84,0
Игнатпольского 2,1 7,8 0,6 1.6 4,6 86,2
Таблица 2
Зерновой состав пылевидных фракций отсевов дробления Коростеньского щебзавода (седиментационный анализ)
Размер фракции, мкм Содержание фракции, %
Более 100 1,7
100-80 3,3
80-70 5,0
70-60 5,0
60-50 5,0
50-40 12,3
40-30 7,3
30-20 13,7
20-15 11.0
Менее 15 35,7
Различие минералогического состава пылевидных частиц отсевов дробления и природных песков проявляется в различной пластичности этих грунтов. Характерно, что свойства пылевидных частиц отсевов дробления более близки к свойствам мелкозема (фр. менее 0,08мм) отсевов дробления, чем свойства пылевидных частиц и мелкозема природных песков.
SCIENCE TIME
Анализ проведенных исследований показал, что отсевы дробления могут использоваться в качестве мелкого заполнителя бетонов, не смотря на то, что в нем присутствуют зерна менее 15 мкм. Потому что частицы имеют ту же природу, что и исходная горная порода, но содержат в своем составе несколько больше алюмосодержащих, железосодержащих и глинистых минералов и обладают способностью к незначительному набуханию.
Таким образом, несмотря на обширные области использования техногенных песков, проблема их утилизации в полной мере еще не решена. Запасы отходов в железорудных регионах РФ настолько велики, что их следует рассматривать как искусственные месторождения силикатного сырья, на основе которого необходимо создавать крупные предприятия строительных материалов и изделий широкой номенклатуры.
Литература:
1.Боженов П.И. Комплексное использование минерального сырья и экология. -М: изд-во АСВ, 1994. - 264с.
2. Смирнов В.И. Геология полезных ископаемых / В.И. Смирнов. - М.: Недра,
3. Григорович М.Б. Минерально-сырьевая база промышленности строительного камня / М.Б. Григорович. - М.: Недра, 1972 - 135 с.
4. Голиков В. Г. Мелкозернистые бетоны для малых архитектурных форм на основе техногенных песков КМА. Дисс.... к.т.н., - Белгород, 2005. - 210 с.
5. Лесовик Р.В. Мелкозернистые бетоны для дорожного строительства с использованием отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов. Дисс.... к.т.н., - Белгород, 2002.- 207 с.
6. Мирюк О.А. Особенности образования и свойств клинкеров из отходов обогащения / О.А. Мирюк, И.Г. Лугинина // Цемент. - 1989. - № 3. - С. 7-9.
7. Юнг В.Н. Цементы с микронаполнителями // Цемент. - 1974. - №8. - С.32-36.
8. Швайка Д.И. Особенности применения углесодержащих отходов при производстве глиняного кирпича / Д.И. Швайка, Д.И. Руди, Г.Г. Саркисов // Строительные материалы. - 1983. - № 5. - С. 13-15.
9.Нисневич М.Л., Левкова Н.С., Анисимова Е.И. Исследование влияния зернового состава, содержания тонкодисперсных составляющих, генезиса и минералогического состава песков на свойства бетонов. В кн.: Комплексное исследование сырья месторождений нерудных строительных и облицовочных материалов. М ВНИПИИстромсырье, 1981, - с. 40-50.
10. Каталог отсевов дробления предприятий нерудной промышленности Минтрансстроя М., СоюздорНИИ, 1988, - 18с.
11. Левин Л.И., Тарасова В.Н., Левина Е.И. Применение отсевов дробления в бетонах с эффективными пластификаторами. В. кн.: Малоотходная технология при производстве нерудных строительных материалов из природного камня. М., МДНТП им. Ф.Э.Дзержинского, 1987, - с. 128-134.
1969. -687 с.
