CC BY
53
Information on authors
Korzun N.L., Candidate of medical science, associate professor, department of engineering services and life-support systems, tel.: 89149100532, e-mail: [email protected]; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Balkanov A.A., undergraduate, tel.: 89021763616, e-mail: [email protected]; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
УДК 691.5
ИССЛЕДОВАНИЯ ПУЦЦОЛАНОВЫХ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ЭФФУЗИВНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
Е.А. Николаенко
Работа посвящена вопросам повышения прочности пуццоланового портландцемента за счет многофункциональной добавки. Сегодня пользуются спросом именно многофакторные добавки для товарных бетонов, которые отличаются своим многокомпонентным составом. В этом новом качестве достойную конкуренцию может составить многокомпонентный сыннырит и его разновидности, представляющие собой новый вид ультракалиевого алюмосиликатного сырья для керамической и цементной промышленности, для получения бесхлорных калийных удобрений, глинозема и поташа.
Ключевые слова: сыннырит Сакунского и Сыннырского месторождения; прочность; технология; портландцементный клинкер.
RESEARCH OF POZZOLANIC ARTIFICIAL CEMENT ON THE BASIS OF EFFUSIVE EARTH'S FORMATIONS
E.A. Nikolaenko
The work is dedicated to the problems of the increase in the reliability of pozzolanic artificial cement with the help of multifunctional addition for the trade concrete which differ due to its multiunit content. In this new quality a multiunit synnyrite and its varieties may create a worthy competition, because they perform a new type of ultrapotassic aluminosilicate materials for ceramic and cement industry in order to get non-chloric potassic fertilizers, clay and potash.
Key words: synnyrite of Sakunsky and Synyrsky deposit, reliability, technology, artificial cement clinker.
Сегодня необходим новый подход к технологиям производства бетонов, поэтому наряду с повышением требований к основным их составляющим, повышается уровень требований к минеральным добавкам для бетонов и растворов [1-3]. Получить товарные бетоны, соответствующие всем нормируемым характеристикам, заявленным в нормативной документации, невозможно без применения многофункциональных добавок, обеспечивающих:
• повышение прочности бетонного камня и раствора в проектном возрасте (1030%);
• повышение пластичности (П) бетонной смеси (с показателя П1 до П5), хотя бетонная смесь с показателем пластичности П4 и П5 должна подвергаться электропрогреву, защите свежеуложенного бетона от отрицательных температур методом «термоса»;
• снижение водопотребления на 15-25%;
• повышение сцепления с арматурой (более чем в 1,5 раза);
• повышение морозостойкости (не менее 50 циклов);
• удобоукладываемость;
• ускоренный набор прочности;
• повышение водонепроницаемости (более показателя W6);
• повышение солестойкости;
• повышение связности (нерасслаиваемости);
• улучшение поверхности изделий.
Выполнить такую сложную задачу, используя одно- и двухкомпонентные добавки, практически невозможно. Поэтому спросом пользуются именно многофакторные добавки для товарных бетонов, которые отличаются от других добавок своим многокомпонентным составом. В этом новом качестве достойную конкуренцию может составить многокомпонентный сыннырит и его разновидности, представляющие собой новый вид ультракалиевого алюмосиликатного сырья для керамической и цементной промышленности, для получения бесхлорных калийных удобрений, глинозема и поташа [4].
Объектом данного исследования являются пуццолановые портландцементы с повышенными прочностными свойствами.
Известны цементы, включающие в состав высушенную кремнеземистую осадочную породу: опоки, трепел, диатомит, смешивание и измельчение ее с портландцемент-ным клинкером и гипсом, отличающийся качественным и количественным составом этой смеси при следующем соотношении компонентов, масс.%: портландцементный клинкер -45; гипс - 6; кремнеземистая осадочная порода - 46, углесодержащий компонент - 0,3 [5]. При получении цемента используется процесс высушивания кремнеземистой породы при температуре 150-190°С до влажности 0,3-0,7% и введения углесодержащего компонента, что приводит к существенным дополнительным затратам электроэнергии и делает производство цемента более дорогим, хотя и оптимизирует процесс помола. Кроме того, этот цемент обладает более низкой прочностью при изгибе ниже на 56,6%, по сравнению с предлагаемым веществом. Таким образом, такой цемент обладает пониженной прочностью при больших энергозатратах.
Также известен цемент, содержащий портландцементный клинкер и минеральную добавку, обработанную при температуре 150-300°С до потери 50-80% гидратной воды, состоящую из смеси опоки и фосфогипса при следующем соотношении компонентов, масс.%: портландцементный клинкер - 50-90, добавка - 10-50 [6]. Существенно важным недостатком известного цемента является его недостаточный предел прочности при сжатии - ниже на 13,4% по сравнению с данным портландцементом, и перерасход портланд-цементного клинкера выше на 23%, в отличие от предлагаемого вещества. Также минеральная добавка подвергается термообработке, что является существенным признаком повышения энергозатрат.
Известен цемент, содержащий в качестве минеральной добавки цементную пыль-унос электрофильтров вращающихся печей, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит компонент с удельной поверхностью не менее 800 м2/кг, один выбранный из группы: мел, глина, известняк или смесь этих компонентов, при соотношении между указанным компонентом и пылью от 1:1 до 1:10 и содержание щелочных оксидов R2O в пересчете на №20 в добавке не более 4%. Важным недостатком известного цемента является небольшое количество использованной минеральной добавки к цементу, в количестве 20% от его массы, вместо 30-35% в предлагаемом веществе. Высокая удельная поверхность компонентов вызывает значительные затраты на их измельчение, а тонкое измельчение может нарушить энергоцентры кристаллизации материала и снизить его прочность.
В предлагаемом веществе прочность увеличена на 30% по сравнению с аналогом за счет нахождения оптимального состава, оптимального измельчения до 290-300 м2/кг, энергоемкой технологии получения качественного цемента.
Таким образом, предлагаемый пуццолановый портландцемент представляет собой оптимальный продукт твердения, состоящий из трех компонентов, в качестве активатора прочности которых является щелочной сиенит - сыннырит. Технический результат предлагаемого вещества заключается в повышении прочностных свойств пуццоланового портландцемента и его технологичности за счет повышения пластичности смеси и водоудер-живающей способности готового изделия.
Указанный технический результат достигается тем, что в пуццолановом портландцементе, состоящем из портландцементного клинкера, двуводного гипса и минеральной добавки в качестве минеральной добавки используют щелочной сиенит при следующем соотношении компонентов, масс.%: портландцементный клинкер - 62-67, двуводный гипс - 3 (от массы портландцементного клинкера), минеральная добавка - щелочной сиенит - 30-35.
Технический результат достигается также тем, что в качестве щелочного сиенита используют сыннырит Сакунского месторождения или сыннырит Сыннырского месторождения.
В предлагаемом веществе в качестве природной пуццоланы использована ультраосновная алюмосиликатная порода в группе кальсилитовых сиенитов - сыннырит, которая является природным сырьем Восточной Сибири. Двухстадийный совместный помол исходных компонентов обеспечивает не только их тонкое измельчение, но и энергоактивацию частиц и изменение структуры их поверхностных слоев, что приводит к повышению прочности цемента, а в некоторых случаях и его пластичности. Портландцемент, полученный на основе этого сырья, содержит до 1,4% R2O в указанных ниже составах, что соответствует техническим условиям нормативных документов.
Сыннырит - это уникальная фельдшпатоидная плутоническая порода калиевого ряда, сложенная многочисленными (до 90%) округлыми выделениями псевдолейцита (псевдоморфоза по лейциту, состоящая из взаимопрорастаний ортоклаза (около 70%) и нефелина (около 30%), погруженными в основную массу мелких зерен нефелина и калиевого полевого шпата (микроклина или санидина) с примесью кальсилита, биотита, пироксена (эгирин-диопсида), альбита, сфена, апатита, граната, титаномагнетита, магнетита и ильменита. Среди вторичных минералов в породе отмечены цеолиты, анальцим, содалит, альбит и гидрослюда. Порода тесно связана с другими разновидностями лейцитовых и псевдолейцитовых интрузивных образований. Они характеризуются исключительно высоким содержанием оксида калия (17-21%) и значительными концентрациями глинозема (до 28%).
К настоящему времени промышленные скопления сынныритов и близких к ним ультракалиевых пород выявлены в двух щелочных массивах Сибири - Сыннырском и Са-кунском, являющихся месторождениями нового вида минерального сырья.
Сыннырит Сакунского месторождения (север Читинской области), входящий в состав цемента, представляет собой природный щелочной алюмосиликат группы щелочных полевых шпатов ряда КАШ^О8, являющихся важной составной частью изверженных пород, таких как граниты, сиениты, минералов группы нефелинов и мариуполитов, следующего химического состава, масс.%: SiO2 - 55,2, А1203 - 21,75, Fe2O3 - 0,82, МпО - 0,23, СаО - 0,26 (общ), MgO - 0,23, ^О - 0,84, Р2О5 - 0,05, К2О - 19, п.п.п. - 0,8 (п.п.п. - потери при прокаливании в процентах, масс.% - массовые доли элементов (компонентов) в процентах, также см. табл. 1). При использовании сынныритов в качестве бесхлорного калийного удобрения полезным компонентом является калий лимоннорастворимый (активный), содержащийся в кальсилите. Среднее содержание кальсилита в сыннырите - 25%, среднее содержание двуокиси калия лимоннорастворимого в сыннырите - 6,25% [10].
Сакунское месторождение связано с крупнейшим щелочным массивом, сложенным в центральной части нефелиновыми сиенитами, между которыми выделяется зона развития высококалиевых псевдолейцитовых нефелиновых сиенитов с крупными телами каль-силит-калиевополевошпатных пород - сынныритов.
Основными минеральными компонентами сынныритов являются калиевый полевой шпат, кальсилит, вторичные минералы. В настоящее время весьма актуально решение вопроса о перспективных запасах сынныритов, а также о сходстве этого сырья с другими широко распространенными в земной коре натриевыми и калиевыми алюмосиликатами (нефелины, мариуполиты, каолиниты, цеолиты и др.). Дальнейшая перспектива состоит в использовании местного сырья щелочного сиенита Лазурского месторождения Слюдян-ского района Иркутской области в индустрии строительных материалов, по минералогическому составу аналогичного с сынныритами других месторождений.
Согласно государственному стандартному образцу (ГСО 10171-2012) [7] сыннырит Сыннырского месторождения (Северобайкальский регион Бурятии) представляет собой плутоническую, лейкократовую породу среднего состава щелочного ряда из семейства псевдолейцитовых фельдшпатоидных сиенитов следующего метрологического состава, масс.% (эти характеристики приводятся на материал, высушенный при температуре 105°С с обеспеченностью 0,95): SiO2 - 55,0, АЬОз - 22,5, Fe2Oзобщ - 1,35, МпО - 0,0093, СаОобщ -0,49, MgO - 0,18, N20 - 1,19, Р2О5 - 0,058, К2О - 18, п.п.п. - 0,61 (см. табл.1).
Фельдшпатизация - процесс обогащения горных пород новообразованиями полевых шпатов, вызывается щелочным метасоматозом или воздействием на горные породы гидротермальных растворов. Сыннырское месторождение комплексных руд, расположенное в междуречье Большой Чуи и Левой Мамы, сложено разнообразным комплексом магматических пород, состав которых изменяется от кварцсодержащих щелочных сиенитов до ультракалиевых и псевдолейцитовых сиенитов-сынныритов. В пределах массива указанных пород наиболее интересны две крупные залежи псевдолейцитовых руд. Наиболее качественные руды - лейкократовые псевдолейцитовые сиениты (сынныриты), содержащие АЬ0з (21-23%) и К2О (18-20%).
Лабораторными исследованиями доказана возможность получения из руд Сынныр-ского месторождения ряд ценных продуктов: сырья для производства алюминия - глинозема, бесхлорных калийных удобрений, высокосортной керамики, огнеупоров и цементного сырья. Проведены дальнейшие технологические исследования руд с разработкой рациональных промышленных технологических схем комплексной переработки сынныри-тов и составление технико-экономического обоснования использования их в сочетании с другими видами сырья [8].
Таблица1
Химический состав сыннырита, масс. %
Компонент Si02 АЬОз Fe2Оз МпО Р2О5 СаО (общ) Mg0 №20 К2О п.п.п.
Сыннырит Са-кунского месторождения 55,2 21,7 0,82 0,23 0,05 0,26 0,23 0,84 19,0 0,8
Сыннырит Сыннырского месторождения 55,0 22,5 1,35 0,009 3 0,05 8 0,49 0,18 1,19 18,0 0,61
Мелкие кристаллы кальсилита в сочетании с минералами портландцементного клинкера образуют такие продукты гидратации, как щелочные алюмосиликаты, а также кремнеземистые гелевидные оболочки, способствующие прорастанию и скреплению зерен калишпата в прочный цементирующий каркас (природное свойство мелкокристал-личности кальсилита и калишпата).
Повышение прочности может быть обусловлено микроармированием цементного камня минеральными добавками, а также их воздействием на процесс гидратации цемента. Кроме того, модуль упругости минеральной добавки больше, чем у цементного камня, тогда при действии внешних нагрузок больший уровень напряжений будет приходиться на материал добавки, который является более прочным, чем цементный камень.
Известен механизм процессов гидратации и твердения пуццолановых портланд-цементов на основе минеральных добавок, представляющих собой горные породы ультраосновного состава. Два силикатных минерала (С^ и С2S) образуют после взаимодействия с водой гидросиликаты кальция (СSH) - основной носитель прочности портландцемента и бетона, обеспечивающие нормальные сроки схватывания. При этом вклад С2S в прочность портландцемента и бетона в ранние сроки (1-7 суток) мал, основную роль играет алит - С^. Следует отметить, что поверхность пуццоланы в высокодисперсном состоянии характеризуется значительной концентрацией кислотных центров по Брен-стеду, что было показано в ряде работ петербургской школы исследователей, основанной М.М. Сычевым и продолжаемой Л.Б. Сватовской, П.Г. Комоховым и многими другими учеными, постулировавших, а затем доказавших, не только наличие кислотно-основных взаимодействий, но и существенное значение окислительно-восстановительных процессов при твердении нормального портландцемента, а также цемента с добавками.
Большее значение приобретают указанные процессы и пуццолановые добавки при гидратации и твердении цементов из недожженных и высокощелочных клинкеров, где к нормальным объектам добавляются активно участвующие в них примеси. Пуццолано-вые добавки в высокодисперсном состоянии благодаря упомянутым активным кислотным центрам по Бренстеду и существенному усилению в их присутствии действия добавок-окислителей могут рассматриваться как катализаторы окислительно-восстановительных процессов, происходящих при гидратации и твердении цементов как из нормальных клинкеров, так и из недожженных и высокощелочных. На основании вышесказанного можно сделать вывод: следует связать свободную известь при гидратации цемента активной минеральной добавкой, введенной в цемент при помоле, и вредное влияние недожога клинкера на свойства цемента и бетона существенно снизится.
Алюмосиликатную породу с химическим составом в масс.%: SiO2 - 55,2, А12О3 -21,75, Fe2Oз - 0,82, МпО - 0,23, СаО - 0,26 (общ), MgO - 0,23, ^2О - 0,84, Р2О5 - 0,05, К2О - 19, п.п.п. - 0,8 подготавливают следующим образом: породу с размером зерен менее 300 мкм и влажностью не более 7% подвергают механоактивации в активационной зоне планетарной мельницы МПП-2 (ТТД).
Скорость подачи сырья в аппарат 10 кг/ч. В результате переработки породы на этом аппарате изменяется дисперсность частиц сырья, то есть центры кристаллизации материала становятся более активными. После процесса активации получают измельченный продукт с размером частиц меньше 200 мкм, который и является минеральной добавкой, с которой и смешивается портландцемент.
Портландцемент с минеральной добавкой испытывают по ГОСТ 310.1-310.4 [9] и сравнивают с контрольным портландцементом без добавки (ПЦ400 Д20). Прочность портландцемента незначительно снижается.
В результате исследований (табл. 1-3) удалось установить, что при двухстадий-ном помоле в стержневой вибрационной установке в течение 4 минут измельчения сырьевой смеси, состоящей из 62-67% портландцементного клинкера, двуводного гипса (3% от массы портландцементного клинкера), 30-35% минеральной добавки - щелочного сиенита, прочность повышается по сравнению с известными видами цементов такого состава.
Характеристики полученных значений пуццоланового портландцемента приведены в таблицах 1-3, в которых приняты следующие обозначения основных компонентов:
К - портландцементный клинкер, Г - двуводный гипс, МД - минеральная добавка (щелочной сиенит), ТВО - тепловлажностная обработка, Rcж- предел прочности при сжатии, Rи - предел прочности при изгибе, $уд - площадь удельной поверхности, В/Ц - во-доцементное отношение, ППЦ 500 Д30 - пуццолановый портландцемент марки 500 (выдерживает нагрузку 500 кг/см2). Второй показатель, отмеченный при маркировке, как Д30 - наличие специальных добавок, модифицирующих свойства цемента. Этот параметр обозначается буквой Д и цифрой, указывающий на процентное соотношение добавок. Маркировка цемента ПЦ 500 Д0 означает, что в данном цементе добавки отсутствуют.
Анализ результатов таблиц 2-3 показывает, что:
- предложенный пуццолановый портландцемент (ППЦ 500 Д30), имеющий в своем составе минеральную добавку щелочной сиенит, обладает повышенной прочностью по сравнению с обычным портландцементом марки ПЦ 400 Д20;
- оптимальным является состав, содержащий 62-67% портландцементного клинкера и 3% двуводного гипса (от массы портландцементного клинкера), 30-35% минеральной добавки;
- с увеличением расхода добавки, начиная с 40% снижением клинкера до 52% прочность портландцемента падает;
- все составы пуццоланового портландцемента набирают прочность за 28 суток хранения образцов в нормально-влажностных условиях;
- прочность портландцемента повышается при хранении образцов в течение 28 суток в нормально-влажностных условиях (100% набор прочности), что позволяет сделать заключение о наборе прочности в более поздние сроки твердения;
- все составы пуццоланового портландцемента (ППЦ 500 Д30) набирают прочность за 8 часов тепловой обработки, 2 суток в воде (ТВО) и 1 сутки хранения образцов в лабораторных условиях, при пропаривании образцов свыше 8 часов тепловой обработки существенного прироста прочности не наблюдается;
- при хранении образцов более 28 суток в нормально-влажностных условиях наблюдается прирост прочности, что дает основание предполагать о повышении прочности пуццоланового портландцемента в течение определенного периода эксплуатации;
- цемент, состоящий только из портландцементного клинкера и двуводного гипса, обладает пониженной прочностью ниже на 36,4% по сравнению с предложенным портландцементом, имеющим в своем составе кроме указанных компонентов минеральную добавку;
- щелочной сиенит при прочих равных условиях твердения.
Таблица 2
Показатели физико-механических свойств пуццоланового портландцемента
на основе сыннырита
Индекс V Нор- В/Ц Рас- Сроки Тон- Кол-
порт- см /г мальная плыв схватывания, кость во до-
ландце- густота, кону- часы - минуты помо бав-
мента % са, мм начало конец ла, % ки, масс. %
ШЩ 400 3000 25 0,39 108 2-10 4-00 3,0 20
Д20
ШЩ 400 3000 25 0,40 105 2-30 4-00 3,0 25
Д25
Индекс V Нор- В/Ц Рас- Сроки Тон- Кол-
порт- см /г мальная плыв схватывания, кость во до-
ландце- густота, кону- часы - минуты помо бав-
мента % са, мм начало конец ла, % ки, масс. %
ШЩ 500 3100 23,5 0,41 105 2-10 4-10 3,8 30
Д30
ШЩ 400 3200 23,5 0,40 110 2-10 4-10 10,4 35
Д35
ШЩ 300 3150 23,0 0,40 107 2-07 4-00 6,5 40
Д40
Таблица 3
Показатели физико-механических свойств пуццоланового портландцемента
Состав Предел прочности при сжатии Предел Средняя
портландцемента, масс.% ^ж), МПа прочности при изгибе плотность,
^и), МПа кг/м3
К МД Г после тепловлажност-ной обработки (пропаривание +2 суток в воде) через 28 суток через 28 суток
77 20 3 40,3 44,2 - 2020
72 25 3 54,2 52,4 - 2000
67 30 3 61,2 64,2 6,30 2050
62 35 3 59,8 61,4 5,03 1990
57 40 3 44,8 48,4 4,15 1980
97 без добавки 3 40,0 40,8 5,59 2170
Таким образом, снижена себестоимость изделия за счет уменьшения времени измельчения продуктов портландцемента, снижена средняя плотность портландцемента, что существенно влияет на расход изделия. Получен готовый конечный продукт, при хранении образцов более 28 суток прочность изделия продолжает возрастать, что является особенно характерным свойством для пуццолановых портландцементов такого типа.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Николаенко Е.А. Комплексные исследования неорганических структур на мине-рагении магматитов калиевой щелочной серии. 2010. № 5. С. 106-109.
2. Сигачев Н.П., Елисеева Л.И., Востриков М.В., Клочков Я.В. К вопросу повышения энергетической эффективности зданий и сооружений // Вестник Иркутского государственного технического университета. № 5. 2010. С. 109-113.
3. Кузьмина В. П. Механоактивация цементов // Строительные материалы. 2006. № 5. С. 7-9.
4. Кузьмина В. П. Способ получения пластифицированных портландцементов. Патент на изобретение № 2094404. 2007.
5. Захарченко Ю.С. Способ получения цемента. Патент на изобретение № 2398749.
2010.
6. Осокин А.П. Энтин З.Б., Семиндейкин В.Н., Бахарев М.В., Сиденко И.Л., Нефедова Л.С. Цемент. Патент на изобретение № 2116984. 1998.
7. ГСО 10171-2012 Утвержденные типы средств измерений.
8. Горбунова Е.С., Захаров В.И., Федоров С. Г., Алишкин А. Р., Матвеев В. А., Майоров Д. В. Способ переработки нефелин - полевошпатового сырья. Патент на изобретение № 2372290. 2009.
9. ГОСТ 310.1-310.4 Цементы. Методы испытаний. Общие положения. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии.
10. Еремин Н.И. Неметаллические полезные ископаемые // Двухсотпятидесятиле-тию Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова посвящается: 2-е изд., испр. и доп. Изд-во МГУ, 2004. 24-27 с.
Информация об авторе
Николаенко Елена Аркадьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции», тел.: 89041177325, e-mail: [email protected], Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the author
Nikolaenko E.A., Candidate of Technical Sciences, associate professor, Building Constructions Department, tel.: 89041177325, e-mail: [email protected], Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
УДК 628.218
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ ЛИВНЕВОЙ КАНАЛИЗАЦИИ В.Р. Чупин, Е.С. Мелехов, Т.А. Нгуен
В статье излагается методика комплексной оптимизации системы ливневой канализации. Рассмотрены вопросы математического моделирования и оптимизации развивающихся систем ливневой канализации, предложены новые подходы и методы к решению задач анализа режимов функционирования, обоснования структуры и параметров трубопроводов и трубопроводных сооружений с учетом существующего состояния, надежности систем ливневой канализации. Также синтезированы аналитические обзоры литературы по системам ливневой канализации, которые помогают нам в исследовании моделирования и оптимизации систем ливневой канализации.
Ключевые слова: ливневая канализации; система водоотведения (СВО); движение стоков; трубопроводы; каналы.
OPTIMIZATION OF PARAMETERS OF STORM SEWAGE SYSTEM V.R. Chupin, E.S. Melekhov, T.A. Nguen
In this article we present the methodology of complex optimization of the storm sewage system. We considered the questions of mathematical modeling and optimization of developing storm sewage system, offered new approaches and methods to the task solution of the analyses of functioning modes, explanation of structure and parameters of pipe systems and constructions
