CC BY
15УДК 666.972:612.3
К.С. ФОРОПОНОВ, инженер (forabrain@yandex.ru);
Г.А. ТКАЧЕНКО, канд. техн. наук,
Ростовский государственный строительный университет
Использование мягкого мела в производстве рядовых и лицевых стеновых изделий
Мягкий мел как специфическая разновидность входит в общую классификацию известково-карбонатных пород [1, 2]. Важнейшими свойствами мягкого мела, на которых базируется его производство и промышленное использование, являются светлый цвет, высокая природная дисперсность, легкая диспергируемость, округленная форма частиц, малая гигроскопичность и незначительная химическая стойкость. Следует отметить, что основная ценность мела как технологического сырья заключается в том, что он легко добывается и перерабатывается, запасы его весьма значительны, а сама природа мела допускает его безотходное использование, что весьма важно с точки зрения экологической привлекательности. Отсутствие отходов в отвалах разрабатываемых месторождений не будет создавать негативных условий для нарушения экологического равновесия окружающей среды.
На северо-западе Ростовской области расположен выход на поверхность мелового кряжа, протянувшегося вплоть до Белгородской области. Два крупных месторождения мягкого мела (Кульбякинское и Лысогор-ское) располагают значительными запасами этого сырья (свыше 10 млн т). В условиях карьеров мел всех трех категорий (А, В и С) располагается хаотично, что затрудняет их селекционную разработку и приводит к образованию значительных отходов при его переработке для производства воздушной извести или кормовой добавки.
Ниже на примере мела Лысогорского месторождения, физико-механические свойства которого описаны
в табл. 1, приводятся результаты экспериментов, поставленных с целью безотходного использования мела в производстве весьма востребованных в этом регионе стеновых изделий.
Разнообразие свойств горной породы связано с ее структурными особенностями, которые были исследованы с привлечением петрографического анализа. Чистый мел (кат. А) на микрофотографиях шлифов представлен карбонатными частицами размером менее 5 мкм в форме скелетов и их обломков и кристаллами кальцита, которые плотно обволакиваются и склеиваются в агрегаты серой полупрозрачной пленкой глинистого и коллоидного вещества [1, 3].
Наличие аморфного кремнезема, пленок коллоидного и глинистого веществ и их содержание являются характерной особенностью всех категорий мела. С ростом их содержания создаются плотные и однородные структуры с большей прочностью и меньшей размокае-мостью в воде (кат. В и С). Чистый мел имеет высокую внутризерновую пористость, превышающую порой 40%. В слабо-, сильноглинистом и мергелеподобном меле глинистые примеси обволакивают отдельные частицы кальцита тонкой защитной пленкой и уменьшают его пористость до 30% и менее. Тем не менее вследствие высокой пористости мягкий мел значительно снижает свою прочность при водонасыщении.
Для изготовления качественных стеновых изделий предлагается использовать метод жесткого прессования полусухих формовочных смесей, состоящих из мелкодробленого мягкого мела и портландцемента. Уплотне-
Таблица 1
Свойства горной породы Единица измерения Категории мела
А В С
Средняя плотность г/см3 1,6 1,64 1,76
Пористость % 41,2 39,7 35,1
Водопоглощение по массе % 25,5 22,6 18,6
Прочность при сжатии в сухом состоянии МПа 4,7 4,9 6,5
Коэффициент размягчения - 0,5 0,52 0,6
Таблица 2
Категория мела Свежеотформованные В возрасте 28 сут
плотность, кг/м3 прочность, МПа сухие водонасыщенные Снижение прочности водонасыщения композиций, %
средняя плотность, кг/м3 средняя прочность, МПа средняя прочность, МПа водопоглощение по массе, %
А 1810 1,48 1850 10,05 6,67 15,8 35
В 1820 1,35 1850 11,32 7,42 16,0 35
С 1810 1,52 1840 11,74 7,65 15,8 30
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал
56 сентябрь 2010
ы ®
Таблица 3
№ состава Особенности состава Средняя плотность ЦМК, кг/м3 Предел прочности при сжатии ЦМК, МПа Предел прочности при сжатии водонасыщенного ЦМК, МПа Водопоглощение по массе, % Снижение прочности при водонасыщении, %
1 Контрольный, без добавки, перемешанный вручную 1870 13,12 9,28 15,2 29,3
2 Перемешанный на смесительных бегунах 1875 15,37 11,60 15,2 24,5
ние смеси осуществляется кратковременным однократным приложением усилия, создающего удельное давление 20-40 МПа.
При проведении исследований прежде всего были отработаны основные параметры технологического процесса: оптимальное водосодержание, которое составило 8% от массы сухих компонентов, и расход цемента, равный 20%, обеспечивающий требуемую прочность ЦМК. Также было определенно оптимальное удельное давление прессования (25 МПа).
Результаты оценки физико-механических свойств свежеотформованных и затвердевших ЦМК, полученных при вышеуказанных оптимальных параметрах, приведены в табл. 2.
Анализ приведенных результатов показал, что между жесткопрессованными композициями из мела категорий А, В и С, составляющими основной массив месторождения, значительной разницы в физико-механических свойствах нет, и этот вывод имеет важное практическое значение, так как упрощает технологию разработки месторождения, а в изготовлении стеновых материалов могут быть востребованы и накопленные многотонные меловые отвалы.
Используемый метод жесткого прессования включает подготовку сырьевой смеси, ее уплотнение и последующее твердение.
Перемешивание полусухой формовочной смеси и ее прессование при однократном приложении высокого давления накладывают определенные специфические особенности на процессы. Ограниченное содержание воды затворения приводит к значительной видимой агрегации смеси с образованием цементно-меловых гранул, в объемах которых находится защемленный воздух. Само прессование сопровождается упругим расширением полуфабриката после снятия давления. Если оно начинает превышать определенную величину, в издели-
ях появляются технологические трещины запрессовки, резко снижающие качество уплотненного композита. Чтобы уменьшить агрегацию и тем самым улучшить перемешивание смеси и ее уплотняемость, предполагается использовать принципы механохимической активации. Использованием смесительных бегунов, введением воды затворения методом орошения, регулированием зернового состава мела и введением химических добавок можно достичь не только повышенной прочности цементно-меловых композиций, но и добиться их повышенной водо- и морозостойкости, что необходимо для производства качественных рядовых и лицевых стеновых изделий.
Ниже представлены результаты многочисленных опытов, которые последовательно раскрывают возможности регулирования свойств получаемых жесткопрес-сованных цементно-меловых композиций, пригодных для изготовления стеновых изделий на базе маловостре-бованного строителями мягкого мела.
Влияние способа перемешивания на свойства жест-копрессованных ЦМК представлено в табл. 3.
При обработке формовочной смеси на бегунах происходит домол меловых частиц, она наполняется тонкодисперсным мелом, и это приводит к улучшению физико-механических свойств.
Поскольку в формировании структуры жесткопрес-сованных композиций важную роль играет зерновой состав, для оценки этого влияния путем постановки пробных опытов, а затем с применением математического планирования эксперимента были проведены эксперименты по его активизации. Реализованное симплексно-решетчатое планирование позволило получить математическое описание зависимостей состав-свойство и построить диаграммы, на которых можно выделить область оптимальных значений зернового состава.
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Л] сентябрь 2010 57"
Таблица 4
№ состава Особенности состава Средняя плотность ЦМК, кг/м3 Предел прочности при сжатии ЦМК, МПа Предел прочности при сжатии водонасыщенного ЦМК, МПа Водопоглощение по массе, % Снижение прочности при водонасыщении, %
1 Контрольный, без добавки 1870 14,63 11,54 15,2 21,3
2 BWA-21 (1%) 1800 20,3 17,6 15,7 13,5
3 КОЭ (0,1%) 1900 15,23 13,19 15,4 15,0
Свойства ЦМК изучались в зависимости от содержания в смеси основных фракций мела: тонкомолотого с = 6500—7000 см2/г и его фракций 0,16—1,25 и 1,25—5,0 мм.
На диаграммах, представленных на рисунке, где нанесены изолинии прочности сухих и снижения прочности водонасыщенных образцов по отношению к сухим, точка пересечений изолинии с Кж = 15,0 МПа и изолинии снижения прочности не более 27,5% позволяет определить оптимальный зерновой состав (содержание фракций заполнителя в % по массе: фр. 1,25—5 — 10%; фр. 0,16—1,25 — 60% и тонкодисперсный мел — 30%), который обеспечивает достаточные прочностные характеристики ЦМК при относительно невысоком снижении их прочности в водонасыщенном состоянии.
Возможности дальнейшего повышения водостойкости ЦМК были исследованы на оптимизированном зерновом составе при уже приведенных параметрах технологического процесса.
В экспериментах в состав композиций вводили различные химические добавки, в том числе добавки немецкого производства MC-Bauchemie. На стадии предварительных опытов из общего перечня была выбрана химическая добавка для сухого и полусухого прессования BWA-21, которая повышает формуе-мость, связанность и уплотняемость жестких смесей, а также обладает гидрофобизирующим эффектом. В качестве альтернативной была исследована добавка кремнийорганической эмульсии (КОЭ) российского производства.
В табл. 4 приведены результаты этих испытаний, выполненных по единой методике.
При введении в состав формовочной массы химической добавки Murasan BWA-21 в количестве 1% от массы цемента прочность образцов по проекту возросла на 38,8%, а ее снижение в водонасыщенном состоянии не превысило 13,5% по сравнению с контрольным составом, у которого это снижение составило 21,3%. В композициях с добавкой КОЭ (0,1% от массы цемента) наблюдалось небольшое повышение прочности, а ее снижение в водонасыщенном состоянии составило 15%.
Приведенные результаты исследований наглядно доказывают возможности изготовления качественного рядового кирпича до М150 с достаточной морозостойкостью при введении в состав формовочной смеси незначительного количества гидрофобной добавки КОЭ.
Требования к прочности и морозостойкости лицевого кирпича выше. Для того чтобы их достигнуть, можно использовать специальную химическую добавку немецкой фирмы MC-Bauchemie — Murasan BWA-21. Исследования в направлении повышения прочности и водостойкости ЦМК продолжаются. Путем использования различных приемов механохимической активации предлагается не только решить поставленную проблему, но и создать цветные композиции, воспользовавшись светлыми тонами получаемого материала.
Установлено, что все разновидности мягкого мела Лысогорского месторождения, в том числе накопленные в отвалах меловых пород, могут быть использованы
в производстве рядового жесткопрессованого кирпича, для повышения морозостойкости которого можно использовать добавку КОЭ в незначительных количествах. Для производства лицевого цветного кирпича необходимо направленно регулировать зерновой состав мелкодробленого мела и использовать более эффективные специальные добавки.
Ключевые слова: использование отходов производства, мягкий мел, производство строительных материалов.
Список литературы
1. Паус К.Ф., Евтушенко И.С. Химия и технология мела. М.: Стройиздат, 1977. 138 с.
2. Талпа Б.В. Безобжиговый кирпич из техногенного карбонатного сырья Юга России // Строит. материалы. 2003. № 11. С. 50-51.
3. Ткаченко Г.А., Форопонов К.С. Возможности обеспечения экологической безопасности при разработке месторождений мягкого мела // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. № 6. Ростов-на-Дону. 2009. С. 93-97.
X ЕЖЕГОДНЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ ФОРУМ
^ ЧЕРНО/ИОРСТРОИ
I Г 25-27 ноября 2010 * Анапа
Строительство и благоустройство Строительные материалы Евроремонт
Энергетика ¿¿¡¡Щеке
ЖКХ
Озеленение
www.rifsm.ru
научно-технический и производственный журнал
58
сентябрь 2010
Ы ®
