CC BY
36Исследование свойств бетонных смесей с применением отходов угледобычи для строительства шахт
Шабанов Евгений Анатольевич,
к.т.н., доцент, кафедра строительного производства и экспертизы недвижимости, Кузбасский государственный технический университет им. Т. Ф. Горбачева, evgenshab@mail.ru
Гилязидинова Наталья Владимировна,
к.т.н., профессор кафедры строительного производства и экспертизы недвижимости, Кузбасский государственный технический университет им. Т. Ф. Горбачева. gnv.tsp@kuzstu.ru
Объект исследования. Шахтный бетон с добавлением отходов угледобычи в качестве заполнителя. Цель исследования. Исследование возможностей использования мелких фракций угля для приготовления закладочных смесей для шахтного строительства. Основная задача - определить оптимальный расход добавки из отходов угледобычи, а также жидкого стекла для оценки влияния на прочностные характеристики и сроки схватывания шахтного бетона. Методы исследования. Проведено проектирование состава бетона и исследование его свойств с углём в качестве заполнителя и смесями УГМ-70 и УГМ-У в качестве вяжущего. Кроме этого проведены исследования прочности проектируемого бетона при использовании жидкого стекла в качестве добавки. Результаты. В статье рассматривается возможность использования отходов угледобычи для применения при приготовлении шахтного бетона. В результате исследований получены научно-практические результаты. Экспериментально доказано, что при добавлении в шахтный бетон мелкой фракции угля, являющейся отходом угледобычи, прочность бетона снижается, но при определенном соотношении этой прочности достаточно для обеспечения требуемых свойств. Проведена серия экспериментов с добавлением в данный бетон жидкого стекла для регулирования сроков схватывания смеси. Определены свойства отходов угледобычи и исследована возможность их использования в шахтном бетоне. Установлено, что в состав шахтного бетона возможно введение мелкой фракции угля в оптимальном количестве без снижения технологических показателей. Ключевые слова: Бетон, бетонная смесь, срок схватывания, предел прочности на сжатие, жидкое стекло, отходы угледобычи.
о сч о сч
СП О!
^
н
О Ш
т
X
<
т О X X
Актуальность
В настоящее время вопросы экологии становятся все актуальнее в связи с ростом добычи полезных ископаемых, ростом населения, которое все время вырабатывает отходы. В настоящее время разрабатывается множество проектов направленных на сохранение окружающей среды и природы [1-3]. Экологическая проблема требует ликвидации отходов угольной промышленности.
Кемеровская область является одним из наиболее развитых промышленных регионов Российской Федерации. Значимую роль в этом играет угледобывающая и перерабатывающая промышленность. Ежегодно в Кузбассе добывают более 250 млн. тонн угля и в связи с этим возрастает нагрузка на окружающую среду [4-6]. Высоки выбросы вредных веществ, загрязнение воздуха, воды и грунта (почвы). В данных условиях Губернатор Кузбасса представил региональный экостандарт "Чистый уголь - Зеленый Кузбасс". В процессе добычи и обогащения угля образуются большие отвалы углеродо-содержащих отходов [7-9], а именно мелкой фракции угля, эти отходы как правило не используются в дальнейшем. Для их перемещения требуются весьма большие затраты энергии, а для хранения большие площади земли под отвалы. Значительная часть добычи угля происходит закрытым способом в шахтах. Для шахтного строительства, при возведении стволов, штреков и проходок используется большое количество специального бетона [10-12], для приготовления которого в шахту спускается большие объемы сухой смеси. Смесь обладает довольно высокими прочностными характеристиками и долговечностью, но данные требования обоснованы лишь тем, что технологически данная смесь должна очень быстро набирать прочность, для сокращения сроков строительства шахт, но в дальнейшем высокая прочность и долговечность не требуется, так как разработка пластов ведется в короткие сроки.
Актуальной проблемой является сокращение объемов применения сухой смеси для приготовления бетона, что сократит затраты на транспортировку, приобретение и т. д.. Применение в шахтном бетоне углеродосодержа-щих отходов (мелкой фракции угля), приведет к сокращению объемов отходов, энергии затрачиваемой на подъем пыли из шахты, сокращение затрат на приобретение и спуск сухой смеси для приготовления шахтного бетона. Проблема применения мелкой фракции угля в приготовлении бетона на современном уровне не изучена и требует детальной проработки, так как при применении мелкой фракции угля в бетоне, необходимо сохранить характеристики получаемой смеси, чтобы сохранить безопасность сооружения. Учеными КузГТУ проведен большой объем лабораторных исследований применения в шахтном бетоне золошлаковых и других отходов [13-15], а также накоплен большой опыт выполнения подобных экспериментов.
Цель данной работы состоит в исследовании возможностей использования мелких фракций угля для приготовления закладочных смесей для шахтного строительства. Основная задача - определить оптимальный расход добавки из отходов угледобычи, а также жидкого стекла для оценки влияния на прочностные характеристики и сроки схватывания шахтного бетона.
Методы исследования
При взаимодействии угля с водой образуются различные кислоты (например, угольная), которые взаимодействуют с гидроксидом кальция, образующимся при гидратации цемента. При этом образуются различные карбонаты, в связи с чем процесс твердения замедляется. Для изготовления бетона с использованием угля необходимо использовать специальные виды вяжущих, которые обладают повышенной стойкостью к карбонатной коррозии.
В данной работе проведено проектирование состава бетона и исследование его свойств с углём в качестве заполнителя и смесями УГМ-70 и УГМ-У в качестве вяжущего. Кроме этого проведены исследования прочности проектируемого бетона при использовании жидкого стекла в качестве добавки.
Для исследования использовались вяжущие смеси «УГМ-70» и «УГМ-У». Обе смеси представляют собой полидисперсные порошки серо-стального цвета, похожие на цемент, но более рыхлые. Уголь для изготовления бетона представляет собой рыхлый зернистый сыпучий материал с насыпной плотностью 950-1000 кг/м3, по гранулометрическому составу близкий к песку. В качестве добавки использовалось натриевое жидкое стекло, удовлетворяющее требованиям ГОСТ 13078-81. Зерновой состав угля определяли в соответствии с ГОСТ 8735-88 «Песок для строительных работ. Методы испытаний». Пробу угля просеивали через стандартный набор сит с ячейками 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16 мм.
Сроки схватывания вяжущих бетонных смесей определяли по ГОСТ 310.3-76 «Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема» на приборе Вика с иглой на тесте изготовленного из смеси вяжущего и воды с В/Т=0,24.
Подвижность бетонных смесей определяли по ГОСТ 5802-86 «Растворы строительные. Методы испытаний» при помощи прибора ПГР по глубине погружения эталонного конуса.
Прочность бетонных смесей определяли по ГОСТ 310.4-81. «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии» на образцах размерами 4*4*16 см.
Результаты исследования.
Для определения гранулометрического состава угля была отобрана проба массой 5000 г. Пробу угля просеивали через сито с отверстиями 5 мм для определения содержания фракций гравийных размеров (свыше 5 мм). Остаток на сите №5 по массе составил 298 г (5,96 %). Из части пробы угля, прошедшего через сито №5 отбирали пробу массой 1000 г для определения зернового состава. Уголь просеивали через стандартный набор сит с ячейками 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16мм вручную. Результаты просеивания представлены в табл. 1.
Повышенное содержание пылевидных частиц (размер менее 0,16 мм) может отрицательно влиять на прочностные свойства проектируемой бетонной смеси.
Таблица 1
№ сита Частные остатки Полные остатки
г % г %
2,5 102 10,21 102 10,21
1,25 232 23,25 335 33,45
0,63 230 23,01 565 56,47
0,315 161 16,08 725 72,54
0,16 114 11,36 839 83,90
менее 0,16 161 16,10 1000 100,00
Для определения сроков схватывания вяжущих смесей отбирали пробу массой 400 г. Водотвёрдое отношение (В/Т) принималось равным 0,24. Определяли начало и конец схватывания на приборе Вика с иглой. Результаты приведены в табл. 2.
Таблица 2
Смесь Сроки схватывания, мин
Начало Конец
УГМ-70 160 220
УГМ-У 50 55
Для определения подвижности готовили раствор вяжущей смеси объёмом 4 л. Для приготовления раствора отбирали 10,4 кг смеси и 2,496 кг воды. Подвижность оценивали по погружению стандартного конуса.
Подвижность смеси УГМ-70 составила 10,5 см, смеси УГМ-У составила 15 см.Смесь УГМ-У имеет значительно большую подвижность, легко вытекала из незначительных зазоров в опалубке, и требовала дополнительной герметизации форм.
При испытании смесей наблюдалось различие в дисперсности их составляющих компонентов. Частицы, входящие в состав смеси УГМ-70, по ощущению крупнее частиц, входящих в состав смеси УГМ-У.
Для определения прочности при изгибе и при сжатии изготавливали образцы размерами 4*4*16 см.
Таблица 3
| смесей УГМ-70 и УГМ-У
Смесь Возраст, сут Марка Прочность при изгибе, МПа Среднее значение, МПа Разрушающая нагрузка, кг Предел прочности при сжатии, кг/см2 Среднее значение, кг/см2
УГС-70-1 5,54 4280 4460 16,78 17,49
УГМ-70 3 УГС-70-2 5,93 5,57 4560 4540 17,88 17,8 18,22
УГС-70-3 5,24 5240 4800 20,55 18,82
УГС-70-1 6,90 7440 6760 29,18 26,51
УГМ-70 7 УГС-70-2 5,91 6,23 7020 6860 20,47 26,9 28,04
УГС-70-3 5,86 7140 7680 28,0 30,12
УГС-М-1 10,28 7800 8100 30,59 31,76
УГМ-У 3 УГС-М-2 8,97 9,32 8420 7220 33,02 28,31 31,23
УГС-М-3 8,71 7440 8800 29,18 34,51
УГС-М-1 11,16 9830 7070 38,55 27,73
УГМ-У 7 УГС-М-2 9,28 9,98 8350 8600 32,75 33,73 32,61
УГС-М-3 9,50 7000 9050 27,45 35,49
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю
2 О
м о
о см
0 см
СП
01
о ш т
X
<
т о х
X
Образцы готовили из смесей УГМ-70 и УГМ-У. Для изготовления образцов использовали 2000 г смеси и 480 г воды. Воду добавляли к вяжущей смеси, затем перемешивали в течение пяти минут. Затем смесь УГМ-70 уплотняли на вибростоле. Смесь УГМ-У не требовала уплотнения, так как она легко заполняла форму, вытекала из незначительных зазоров в опалубке, и требовала дополнительной герметизации форм. Результаты определения прочности приведены на рис. 1 и в табл. 3.
стекла приводит к снижению прочности бетона. При добавке жидкого стекла в количестве 7% предел прочности при сжатии снижается на 22% про сравнению с бездобавочным бетоном, предел прочности при изгибе снижается на 14%.
Таблица 4
■■ добавкой жидкого стекла
Количе- Во- Предел Сред нее
ство до- дотвёр- проч- зна- Разрушаю- Предел проч- Среднее
бавки дое от- ности че- щая ности при значение,
жидкого стекла, % ношение при изгибе, ние, кг/см нагрузка, кг сжатии, кг/см2 кг/см2
кг/см2 2
2,37 2240 2320 8,78 9,10
3 0,2175 2,29 2,35 2390 2380 9,37 9,33 8,94
2,37 2120 2230 8,31 8,75
2,24 2110 2340 8,27 9,18
5 0,2175 2,43 2,25 2260 2350 8,86 9,22 8,78
2,09 2250 2120 8,82 8,31
1,98 1880 2030 7,37 7,96
7 0,2175 1,86 1,89 1590 1850 6,24 7,25 6,95
1,82 1660 1620 6,51 6,35
Рис. 1. Кинетика нарастания прочности смесей УГМ-70 и УГМ-У: 1 - Прочность при сжатии образцов с вяжущим УГМ-У; 2 - Прочность при сжатии образцов с вяжущим УГМ-70; 3 -Прочность при изгибе образцов с вяжущим УГМ-У; Прочность при изгибе образцов с вяжущим УГМ-70
Из полученных исследований следует, что прочность смеси УГМ-70 в ранние сроки твердения существенно ниже прочности смеси УГМ-У. Предел прочности в возрасте 3 суток при изгибе у смеси УГМ-У на 67% выше, а при сжатии на 71%. В последующие сроки твердения интенсивность набора прочности смеси УГМ-У снижается. В возрасте 7 суток её прочность при изгибе выше на 60%, а при сжатии - на 16%.
Твердение смеси УГМ-У сопровождалось большим тепловыделением. Образцы из смеси УГМ-70 сильно прилипали к формам, их было трудно извлекать. Сцепление образцов из смеси УГМ-У было значительно слабее.
Натриевое жидкое стекло в качестве добавки при изготовлении бетона применяется для сокращения сроков схватывания и повышения водостойкости бетона. При добавлении жидкого стекла в цементные бетоны оно вступает в химическое взаимодействие с гидроксидом кальция с образованием натрий-кальциевых гидросиликатов, интенсифицируя процесс схватывания. Повышение водостойкости бетона достигается при больших концентрациях жидкого стекла (более 20% от массы вяжущего), что приводит к значительному снижению прочности.
Прочность бетона при изгибе и сжатии с добавкой жидкого стекла определяли на образцах размерами 4*4*16 см в возрасте 7 суток. Образцы готовились из вяжущей смеси УГМ-70 (Вяж) и угля (У).Соотношение между компонентами в процентах В/У принимали 40/60. Жидкое стекло вводили в количестве 3, 5 и 7 % от массы вяжущей смеси, предварительно размешав его в воде затворения. Результаты испытания представлены на рис. 2 и в табл. 4
Анализ результатов испытаний образцов бетона с добавкой жидкого стекла показал, что жидкое стекло в количестве 3-5 % от массы вяжущего не влияет на прочность, дальнейшее повышение количества жидкого
100 80 60 ио 20
Я. МП а
1
/
Ж.С.Х
Рис. 2. Влияние добавки жидкого стекла на прочность бетона: 1 - при сжатии; 2 - при изгибе.
Таблица 5
Смесь Количество Ж. С., % Сроки схватывания, мин
Начало Конец
УГМ-70 3 160 220
5 103 205
7 82 121
УГМ-У 3 50 55
5 43 48
7 15 21
Введение в состав УГМ жидкого стекла в количестве до 5% не ведет к снижению сроков схватывания. Увеличение количества добавки жидкого стекла ведет к сокращению сроков схватывания и может создать сложности при укладке.
Выводы.
По результатам проведенного исследования установили, что в состав смесей УГМ возможно введение отходов угледобычи в оптимальном количестве без снижения технологических показателей.
Введение жидкого стекла в шахтный бетон с использованием отходов угледобычи не оказывает требуемого влияния на прочность, при этом при увеличении количества жидкого стекла происходит снижение прочности. Введение жидкого стекла влияет на сроки схватывания таким образом, что его использование не ведет к улучшению технологических параметров и создает сложности при бетонировании конструкций.
Литература
1. Petrosyan R. A. Environmental impact assessment and economic evaluation of environmental projects // The Eighth International Conference on Economic Sciences Proceedings of the Conference. 2015. Pp. 50-56.
2. Plyaskina N. Energy-saving environmental projects: approaches to evaluation and results of environmental impact // Journal of Physics: Conference Series 10."X All-Russian Conference with International Participation "Fuel Combustion: Theory, Experiment, Applications"" 2019. Pp. 012027.
3. Yang X. Comprehensive evaluation of environmental and economic benefits of China's urban underground transportation construction projects / Yang X., Chen Z., Guo D. // Journal of Environmental Biology. 2015. Т. 36. # 4. Pp. 733-744.
4. Olkhovatenko V. E. Engineering and geological conditions of an open-cast mining at the urop coal deposits of Kuzbass / V. E. Olkhovatenko, G. I. Trofimova // In the World of Scientific Discoveries, Series A. 2014. Т. 2. # 2. Pp. 62-81.
5. Fridman Y. A. Route map for innovation development in coal-mining Kuzbass / Y. A. Fridman, G. N. Rechko, E. Y. Loginova // Journal of Mining Science. 2015. Т. 51. # 5. Pp. 924-929.
6. Cherdantsev G. The economic future for Russia's Kuzbass coal mining region / G. Cherdantsev, T. Thurner // International Journal of Oil, Gas and Coal Technology. 2017. Т. 16. # 4. Pp. 390-401.
7. Weiler J. Coal waste derived soil-like substrate: an opportunity for coal waste in a sustainable mineral scenario / J. Weiler, B. A. Firpo, I. A. H. Schneider // Journal of Cleaner Production. 2018. Т. 174. Pp. 739-745.
8. Lihach S. A. Power plant ash and slag waste management technological direction when Kansk-Achinsk brown coal is burned / S. A. Lihach, R. N. Kulesh, V. I. Nikolaeva, K. Y. Orlova, A. S. Ilyasova // MATEC Web of Conferences 2016. С. 01051.
9. Dmitrienko M. A. Environmentally and economically efficient utilization of coal processing waste / M. A. Dmitrienko, P. A. Strizhak // The Science of the Total Environment. 2017. Т. 598. Pp. 21-27.
10. Lei F. Long-term behaviors of phosphate-based rapid repairing material for concrete shafts in coal mines / F. Lei, Z. Zhen-ya, W. Xiao-dong, X. Chao, H. Dong-yuan // Journal of Applied Biomaterials and Fundamental Materials. 2018. Т. 16. # 3. Pp. 171-177.
11. Ustyugov M. B. Quality evaluation of reinforced concrete supports of development and capital workings of deep mines / M. B. Ustyugov, L. P. Semenova, G. I. Kulakov // Physical and technical problems of mining. 1993. # 1. Pp. 72-81.
12. Zemlyanskiy V. N. Technological researches of coal mining waste with its processing and utilization to build-up production of constructional concrete in the north / V. N. Zemlyanskiy, I. V. Kurta, A. V. Pasynkov // XVIII International Coal Preparation Congress Conference proceedings. 2016. Pp. 477-482.
13. Gilyazidinova N. Use of slag concrete in construction of underground structures and mines / N. Gilyazidinova, E. Shabanov, X. Liu // E3S Web of Conferences IVth International Innovative Mining Symposium. 2019. С. 01039.
14. Gilyazidinova N. V. The research in the use of monolithic concrete for the mine construction / N. V. Gilyazidinova, N. Yu. Rudkovskaya, T. N. Santalova // The
8th Russian-Chinese Symposium Coal In The 21st Century:
Mining, Processing And Safety. (2016). Pp. 62-65.
15. Uglyanitsa A. V. Filling of the vertical mine workings
with the autoclave slag-concrete / A. V. Uglyanitsa, K. D.
Solonin // Coal in the 21st Century: Mining, Processing and
Safety 2016. Pp. 66-71.
Research of the properties of concrete mixtures with the application of carbon mining waste for mines construction
Shabanov E.A., Gilyazidinova N.V.
T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University
Object of research. Mine concrete with the addition of coal waste as aggregate.
Purpose: Study of the possibilities of using small fractions of coal for the preparation of filling mixtures for mine construction. The main task is to determine the optimal consumption of additives from coal wastes, as well as liquid glass to assess the impact on the strength characteristics and setting time of mine concrete.
Methods: The design of the concrete composition and the study of its properties with coal as a filler and mixtures of UGM-70 and UGM-U as a binder were carried out. In addition, strength studies of the designed concrete were carried out using liquid glass as an additive.
Results: The article discusses the possibility of using coal waste for use in the preparation of mine concrete. As a result of research, scientific and practical results were obtained. It has been experimentally proved that when a small fraction of coal, which is a waste of coal mining, is added to mine concrete, the strength of concrete decreases, but with a certain ratio of this strength it is enough to ensure the required properties. A series of experiments was carried out with the addition of liquid glass to the concrete to control the setting time of the mixture. The properties of coal wastes were determined and the possibility of their use in mine concrete was investigated. It has been established that the introduction of a fine fraction of coal in the optimum amount into coal concrete is possible without reducing technological parameters.
Keywords: Concrete, concrete mix, setting time, compressive strength, water glass, coal waste.
References
1. Petrosyan R. A. Environmental impact assessment and economic evaluation of environmental projects // The Eighth International Conference on Economic Sciences Proceedings of the Conference. 2015. Pp. 50-56.
2. Plyaskina N. Energy-saving environmental projects: approaches to evaluation and results of environmental impact // Journal of Physics: Conference Series 10."X All-Russian Conference with International Participation "Fuel Combustion: Theory, Experiment, Applications"" 2019. Pp. 012027.
3. Yang X. Comprehensive evaluation of environmental and economic benefits of China's urban underground transportation construction projects / Yang X., Chen Z., Guo D. // Journal of Environmental Biology. 2015. T. 36. # 4. Pp. 733-744.
4. Olkhovatenko V. E. Engineering and geological conditions of an open-cast mining at the urop coal deposits of Kuzbass / V. E. Olkhovatenko, G. I. Trofimova // In the World of Scientific Discoveries, Series A. 2014. T. 2. # 2. Pp. 62-81.
5. Fridman Y. A. Route map for innovation development in coalmining Kuzbass / Y. A. Fridman, G. N. Rechko, E. Y. Loginova // Journal of Mining Science. 2015. T. 51. # 5. Pp. 924-929.
6. Cherdantsev G. The economic future for Russia's Kuzbass coal mining region / G. Cherdantsev, T. Thurner // International Journal of Oil, Gas and Coal Technology. 2017. T. 16. # 4. Pp. 390-401.
7. Weiler J. Coal waste derived soil-like substrate: an opportunity for coal waste in a sustainable mineral scenario / J. Weiler, B. A. Firpo, I. A. H. Schneider // Journal of Cleaner Production. 2018. T. 174. Pp. 739-745.
8. Lihach S. A. Power plant ash and slag waste management technological direction when Kansk-Achinsk brown coal is burned / S. A. Lihach, R. N. Kulesh, V. I. Nikolaeva, K. Y.
X X О го А С.
X
го m
о
м о м о
Orlova, A. S. Ilyasova // MATEC Web of Conferences 2016. C. 01051.
9. Dmitrienko M. A. Environmentally and economically efficient utilization of coal processing waste / M. A. Dmitrienko, P. A. Strizhak // The Science of the Total Environment. 2017. T. 598. Pp. 21-27.
10. Lei F. Long-term behaviors of phosphate-based rapid repairing material for concrete shafts in coal mines / F. Lei, Z. Zhen-ya, W. Xiao-dong, X. Chao, H. Dong-yuan // Journal of Applied Biomaterials and Fundamental Materials. 2018. T. 16. # 3. Pp. 171-177.
11. Ustyugov M. B. Quality evaluation of reinforced concrete supports of development and capital workings of deep mines / M. B. Ustyugov, L. P. Semenova, G. I. Kulakov // Physical and technical problems of mining. 1993. # 1. Pp. 72-81.
12. Zemlyanskiy V. N. Technological researches of coal mining waste with its processing and utilization to build-up production of constructional concrete in the north / V. N. Zemlyanskiy, I. V. Kurta, A. V. Pasynkov // XVIII International Coal Preparation Congress Conference proceedings. 2016. Pp. 477-482.
13. Gilyazidinova N. Use of slag concrete in construction of underground structures and mines / N. Gilyazidinova, E. Shabanov, X. Liu // E3S Web of Conferences IVth International Innovative Mining Symposium. 2019. C. 01039.
14. Gilyazidinova N. V. The research in the use of monolithic concrete for the mine construction / N. V. Gilyazidinova, N. Yu. Rudkovskaya, T. N. Santalova // The 8th Russian-Chinese Symposium Coal In The 21st Century: Mining, Processing And Safety. (2016). Pp. 62-65.
15. Uglyanitsa A. V. Filling of the vertical mine workings with the autoclave slag-concrete / A. V. Uglyanitsa, K. D. Solonin // Coal in the 21st Century: Mining, Processing and Safety 2016. Pp. 66-71.
o
CN O CN
an
O HI
m
X
<
m o x
X
