CC BY
18УДК 666.3.046
КАРБОНИЗИРОВАННЫЕ СТЕНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ
КВАРЦЕВЫХ ГЛИНИСТЫХ ПЕСКОВ
Федоркин С.И., Любомирский Н.В., Когай Э., Макарова Е.
Крымский Федеральный университет имени В.И. Вернадского, Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение), РФ, Республика Крым, г. Симферополь, ул. Киевская, 181 1kfu.fedorkin@mail.ru; 2niklub.ua@gmail.com; 3kogay_emil@mail.ru; 4k.makarova11@mail.ru
Аннотация. В статье показана возможность получения прочных стеновых материалов на основе мелкозернистого кварцевого глинистого песка и извести методом полусухого прессования с использованием принудительной карбонизации. Определены физико-механические свойства материала и предложена технология производства изделий.
Ключевые слова: стеновые материалы, мелкозернистый кварцевый глинистый песок, карбонизация, технология.
ВВЕДЕНИЕ
Республика Крым крайне бедна песками, соответствующими требованиям стандартов и пригодными для производства качественных строительных материалов. Наиболее
высококачественные пески прибрежной зоны не могут разрабатываться по экологическим соображениям, поскольку это приводит к ликвидации пляжей и развитию оползневых явлений. Вместе с тем в Крыму существуют значительные запасы мелкозернистых кварцевых песков, сильно загрязненных глиной (Булганакское, Цветочненское, Сакское месторождения), которые не пригодны для производства бетонных строительных материалов по традиционным технологиям. Известно [1-3], что наличие глинистых примесей негативно влияет на гидратационное твердение вяжущих.
Увеличение выпуска искусственных стеновых материалов для постоянно растущих объемов строительства может быть достигнуто вовлечением в производство некондиционного сырья, какими являются мелкозернистые кварцевые глинистые пески. Это возможно путем создания новых эффективных технологий.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Вопросами расширения сырьевой базы производства стеновых строительных материалов на основе некачественного и вторичного сырья посвящены исследования многих отечественных и зарубежных ученых. Научные школы Ю.М. Баженова, П.П. Будникова, В.Т. Ерофеева, П.Г. Комохова, Л.Б. Сватовской, Т.М. Петровой, В.И. Саломатова и многих других, внесли значительный вклад в развитие отрасли строительной индустрии, обосновав возможность
получения новых видов строительных материалов и изделий из различного сырья.
Применение мелкозернистых кварцевых глинистых песков для изготовления стеновых материалов малоизученно. Это связано, прежде всего, с отсутствием технологий их получения [4]. Одним из альтернативным способом использования некондиционных песков могут стать технологии карбонатного твердения вяжущих, активно развивающихся в мире в последние десятилетия [59].
Попытки внедрения технологий производства строительных изделий на основе извести принудительного карбонатного твердения были известны ранее [10, 11]. Принципиальным решением организации данных технологий являлось то, что для создания среды с повышенной концентрацией углекислого газа, обеспечивающей ускоренное карбонатное твердение изделий на основе известьсодержащих составов, использовали дымовые газы непосредственно после известковых печей.
Поиск технологий, утилизирующих углекислый газ, будет способствовать снижению концентрации диоксида углерода в атмосфере и решению важных экологических проблем.
В Академии строительства и архитектуры КФУ им. В.И. Вернадского разработана технология производства высокопрочных карбонатных стеновых материалов на основе известнякового сырья (отходов камнепиления) и извести способом принудительной карбонизации [12-15].
Эффективность этой технологии для известнякового сырья позволяет сделать предположение, что принудительная карбонизация с успехом может быть использована и для других видов сырья, в том числе и для материалов на основе мелкозернистых кварцевых глинистых песков и извести.
ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В настоящей статье изложены результаты исследований, целью которых являлась разработка технологии изготовления карбонизированных стеновых материалов на основе мелкозернистых кварцевых глинистых песков и извести.
ОСНОВНОЙ РАЗДЕЛ С РЕЗУЛЬТАТАМИ И ИХ АНАЛИЗ
В данной работе приведены результаты исследований по получению стеновых материалов на основе цемента и некондиционного мелкозернистого кварцевого песка с большим содержанием глины (до 23 %) и извести методом принудительной карбонизации месторождения Цветочное, расположенного в пос. Крымская Роза в 25 км от Симферополя.
Полезным ископаемым являются пески готеривского яруса нижнего мела (мазанская свита), перекрытые делювиальными суглинками и почвенным слоем. Пески кварцевые, сильно глинистые, уплотненные, слоистые, с линзами и прослойками галечников, гравия, песчаников и глин. По литологическому составу толщина песков разделяется на три слоя. Пески верхнего слоя мелкозернистые, глинистые средней мощности 3,5 м; средний слой представлен мелкозернистым глинистым песком с небольшим количеством гравийно-галечного материала средней мощностью 10,3 м; нижний слой сложен мелкозернистым песком с редкими линзами глин и имеет мощность 12,5 м.
Минералогический состав песка представлен кварцем (90-95 %), песчаником (5-10 %), халцедоном и полевым шпатом (от единичных зерен до 5 %).
Гранулометрический состав песков приведен в табл.1.
№ п/п Показатели Верхний слой Средний слой Нижний слой
1 Содержание гравия, %: - размер > 10 мм - размер > 5 мм 5,7 3,1 2,5 1,8 3,2 4,7
2 Содержание зерен 0,14 - 5 мм, % 47,5 78,5 85,8
3 Содержание зерен < 0,14 мм, % 52,5 21,5 14,2
4 Модуль крупности 0,95 1,47 1,82
5 Содержание глины, % 22,6 12,9 8,5
6 Содержание органических примесей, % нет нет нет
Таблица 1. Гранулометрический состав песков Table 1. Granulometric composition of sand
Песок этого месторождения не соответствует требованиям стандарта (ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технологические условия»), является некондиционным и не может быть использован для бетона и строительных растворов.
Разведанные запасы песков без учета прироста к югу, западу и востоку от действующего карьера составляют 1117,2 тыс. м3. В настоящее время месторождение разрабатывается селективно и песок используется главным образом для штукатурных и кладочных растворов.
Исследование свойств и структуры систем на основе мелкозернистого кварцевого глинистого песка и извести-пушонки проводили на образцах-
цилиндрах полусухого прессования,
соответственно, диаметром и высотой 0,03 и 0,05 м. Влажность формовочных смесей составляла 10 % масс., давление прессования 25 МПа. Карбонизация опытных образцов осуществлялась в специально разработанной карбонизационной камере с автоматическим управлением [16, 17] при концентрации СО2 - 50 %, время карбонизации -3600 с. Опытные образцы перед испытанием на прочность высушивались до постоянной массы при температуре от 353 до 373 К. Кроме предела прочности при сжатии, определяли водопоглощение и коэффициент размягчения образцов по стандартным методикам.
Наименование показателей Образцы из мелкозернистого кварцевого глинистого песка при содержании извести-пушонки в % Образцы из отмученного мелкозернистого песка при содержании извести-пушонки в %
10 20 30 10 20 30
Предел прочности при сжатии, МПа 12,0 24,9 38,2 7,4 16,4 28,0
Водопоглощение, % 12,1 10,5 8,9 11,0 9,1 7,8
Коэффициент размягчения 0,37 0,45 0,50 0,41 0,52 0,55
Таблица 2. Физико-механические свойства образцов на основе песка и извести-пушонки Table 2. Physical and mechanical properties of samples based on sand and hydrated lime
Для изучения влияния примеси глины на свойства карбонизированных образцов из части песка удаляли глину методам отмучивания. Результаты испытаний лабораторных образцов из мелкозернистого кварцевого глинистого песка и отмученного песка после принудительной карбонизации приведены в табл. 2.
Анализ полученных результатов
свидетельствует о существенном росте прочности карбонизированных образцов с увеличением содержания извести-пушонки в сырьевой смеси. При повышении содержания извести с 10 до 30 % предел прочности при сжатии образцов на основе мелкозернистого кварцевого глинистого песка возрастает в 3,2 раза (с 12,0 до 38,2 МПа), а на основе отмученного мелкозернистого песка в 3,8 раз (с 7,4 до 28,0 МПа). Следует отметить, что
независимо от содержания извести-пушонки в сырьевой смеси прочность образцов из мелкозернистого кварцевого глинистого песка на 29-62 % выше прочности образцов из отмученного мелкозернистого кварцевого песка. Это объясняется проявлением вяжущих свойств и частичной карбонизацией глинистой составляющей песка. Несколько повышенное водопоглощение и пониженный коэффициент размягчения образцов из мелкозернистого кварцевого глинистого песка по сравнению с отмученными мелкозернистым песком связано с некоторым водонасыщением глинистой части песка. Структура карбонизированных образцов на основе мелкозернистого кварцевого глинистого песка с добавлением 20 % извести-пушонки приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структура карбонизированных образцов на основе мелкозернистого кварцевого глинистого песка и извести-
пушонки.
Fig. 1. The structure of carbonized samples based on fine-grained quartz clay sand and carbonized lime.
Фотографии образцов свидетельствуют о формировании достаточно упорядоченной структуры материала, в которой частицы песка и глины связаны новообразованиями карбоната кальция в конгломерат высокой плотности.
На основании полученных результатов предложена технологическая схема производства стеновых материалов на основе мелкозернистого кварцевого глинистого песка с добавлением извести-пушонки (рис. 2)
Песок
■ '1 Перемешивание
смеси
Прессование смеси
Известь-пушонка
г" Л Вода
Карбонизация__ Выдержка
изделий изделий
Рис. 2. Технологическая схема производства карбонизированных стеновых материалов из мелкозернистого кварцевого
глинистого песка с добавкой извести-пушонки. Fig. 2. Technological chart for production of carbonized wall materials from fine-grained quartz clay sand with addition of
carbonized lime.
Технологическая схема включает получение сырьевой формовочной смеси на основе мелкозернистого кварцевого глинистого песка, извести-пушонки и воды, полусухое прессование изделий, принудительную карбонизацию изделий с последующей выдержкой в естественных условиях. Данная технологическая схема может быть реализована в производстве стеновых материалов с использованием стандартного оборудования.
ВЫВОДЫ
1. Проведенными исследованиями показана возможность получения стеновых материалов с прочностью до 38 МПа на основе мелкозернистого кварцевого глинистого песка и извести-пушонки способом принудительной карбонизации, что позволяет расширить сырьевую базу строительных материалов в Крыму за счет вовлечения в производство некондиционного сырья [18].
2. Предложена технология производства карбонизированных стеновых материалов на основе мелкозернистого кварцевого глинистого песка и извести, промышленное освоение которой даст возможность снизить выбросы углекислого газа в атмосферу и улучшить экологическую среду.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сегалова Е.Е. Современные физико-химические представления о процессах твердения мономинеральных вяжущих веществ / Е.Е. Сегалова, П.А. Ребиндер / Строительные материалы. - 1960. - № 1. - С. 21 -26.
2. Теория цемента / Под ред. А.А. Пащенко -К.: Будiвельник, 1991. - 168 с.
3. Сычев М.М. Возникновение структур твердения как процесс самоорганизации / Сычев М.М. // Тр. ВНИИхимпром. - 1998. - № 97. - С. 115 - 119.
4. Zaton K.D. Mineralnaya syrevaya baza stroitelnyh materialov Ukrainy. Krymskaya oblast [tekst] / Zaton K.D., Gurdzhi V.L. — Kiev: Izdatelstvo Mingeologii SSSR, 1973g. — 248 s.
5. Kline J., Kline C. Carbon utilisation // World Cement. 2015. August. P. 43-45.
6. U.S. Patent No. 9,868,667, «Bonding Element, Bonding Matrix and Composite Material Having the Bonding Element and Method of Manufacturing Thereof».
7. Amoureux J., Siffert P., Massue J.P., Cavadias S., Trujillo B., Hashimoto K., Rutberg P., Dresvin S., Wang X. Carbon dioxide: a new material for energy storage // Progress in Natural Science: Materials International. 2014. 24. P. 295-304.
8. Yootaek Kim and Kyongwoo Lee. Mechanical properties of non-cement mortars fabricated under supercritical carbonation conditions without alkali
activators and composed of fly ash and fused waste slag // Materials Today: Proceedings. 2016. 3. Р. 381390.
9. Damyanti Badagha, Modhera C.D., Grade M. Concrete using industrial waste to minimize cement content incorporating CO2 emission concept: an experimental investigation // Materials Today: Proceedings. 2017. 4. Р. 9768-9772.
10. Zalmanoff N. Carbonation of Lime Putties to Produce High rade Building // Rock Products. -1956.
- August. - P.182 - 186.
11. Зацепин К.С. Известковые карбонизированные строительные материалы // Сборник материалов Московского научно-технического совещания по жилищно-гражданскому строительству, строительным материалам и проектно-изыскательским работам.
- М.: Московская правда. - 1952. - Том II. - С.283
- 290.
12. Lyubomirskiy N.V., Fedorkin S.I. Scientific and technological principles of disposal of carbon dioxide in food-grade, biodegradable building products // Biosfernaya sovmestimost: chelovek, region, tekhnologii. - Kursk: YZGU. - 2016. -№ 4(16). - Pp. 39-49/
13. Lyubomirskiy N.V., Fedorkin S.I., Bakhtin A.S., Bakhtina T.A. Structuring of composite systems based on lime harden through carbonation and secondary limestone raw materials // Malaysian Construction Research Journal (MCRJ); Vol. 23, No 3, 2017, Pp. 15-26.
14. Lyubomirskiy N.V., Fic S., Fedorkin S.I. Investigation of Physical and Mechanical Properties of Construction Materials of Forced Carbonate Hardening // Materials Science Forum «Materials and Technologies in Construction and Architecture», 2018, Vol. 931, pp 475-480. doi:10.4028/www.scientific.net/MSF.931.475.
15. Lyubomirskiy N., Bakhtin A., Bakhtina T. Alternative approach to the organization of hardening of dolomite binding materials // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 365 (2018) 032032. doi:10.1088/1757-899X/365/3/032032.
16. Любомирский Н.В., Федоркин С.И., Локтинова Т.А., Носатов В.Г. Автоматическая установка и методика изучения процесса карбонизации извести // Строительство и техногенная безопасность. - Симферополь: НАПКС. - 2007. - вып. 19 - 20. - С.74 - 78.
17. Пат. 28051 Украша, МПК (2006) G09B 5/00. Пристрш для вивчення процесу карбошзацп: Пат.28051 Украша, МПК (2006) G09B 5/00 М.В. Любомирський, С.1. Федоршн, Т.О. Локтюнова, О.С. Бахпн (Украша). - № u 2007 07543; Заявл. 05.07.2007; Опубл. 26.11.2007, Бюл.№19. - 2с.
18. Пат. 2687821 РФ, МПК (2006) G04B 28/18. Сырьевая смесь для производства композитних карбонизированных изделий: С.И. Федоркин, Н.В. Любомирский, Э.А. Когай, Е.С. Макарова; Заявл. 30.11.2017; Опубл. 16.05.2019, Бюл.№14. -4с.
REFERENCES
1. Сегалова Е.Е. Современные физико-химические представления о процессах твердения мономинеральных вяжущих веществ / Е.Е. Сегалова, П.А. Ребиндер / Строительные материалы. - 1960. - N° 1. - С. 21 -26.
2. Теория цемента / Под ред. А.А. Пащенко -К.: Будiвельник, 1991. - 168 с.
3. Сычев М.М. Возникновение структур твердения как процесс самоорганизации / Сычев М.М. // Тр. ВНИИхимпром. - 1998. - № 97. - С. 115 - 119.
4. Zaton K.D. Mineralnaya syrevaya baza stroitelnyh materialov Ukrainy. Krymskaya oblast [tekst] / Zaton K.D., Gurdzhi V.L. — Kiev: Izdatelstvo Mingeologii SSSR, 1973g. — 248 s.
5. Kline J., Kline C. Carbon utilisation // World Cement. 2015. August. P. 43-45.
6. U.S. Patent No. 9,868,667, «Bonding Element, Bonding Matrix and Composite Material Having the Bonding Element and Method of Manufacturing Thereof».
7. Amoureux J., Siffert P., Massue J.P., Cavadias S., Trujillo B., Hashimoto K., Rutberg P., Dresvin S., Wang X. Carbon dioxide: a new material for energy storage // Progress in Natural Science: Materials International. 2014. 24. P. 295-304.
8. Yootaek Kim and Kyongwoo Lee. Mechanical properties of non-cement mortars fabricated under supercritical carbonation conditions without alkali activators and composed of fly ash and fused waste slag // Materials Today: Proceedings. 2016. 3. Р. 381390.
9. Damyanti Badagha, Modhera C.D., Grade M. Concrete using industrial waste to minimize cement content incorporating CO2 emission concept: an experimental investigation // Materials Today: Proceedings. 2017. 4. Р. 9768-9772.
10. Zalmanoff N. Carbonation of Lime Putties to Produce High rade Building // Rock Products. -1956. - August. - P.182 - 186.
11. Z. Zacepin K.S. Izvestkovye karbonizirovannye stroitelnye materialy // Sbornik materialov Moskovskogo nauchno-tehnicheskogo
soveshaniya po zhilishno-grazhdanskomu stroitelstvu, stroitelnym materialam i proektno-izyskatelskim rabotam. - M.: Moskovskaya pravda. - 1952. - Tom II. - S.283 — 290.
12. Lyubomirskiy N.V., Fedorkin S.I. Scientific and technological principles of disposal of carbon dioxide in food-grade, biodegradable building products // Biosfernaya sovmestimost: chelovek, region, tekhnologii. - Kursk: YZGU. - 2016. -№ 4(16). - Pp. 39-49/
13. Lyubomirskiy N.V., Fedorkin S.I., Bakhtin A.S., Bakhtina T.A. Structuring of composite systems based on lime harden through carbonation and secondary limestone raw materials // Malaysian Construction Research Journal (MCRJ); Vol. 23, No 3, 2017, Pp. 15-26.
14. Lyubomirskiy N.V., Fic S., Fedorkin S.I. Investigation of Physical and Mechanical Properties of Construction Materials of Forced Carbonate Hardening // Materials Science Forum «Materials and Technologies in Construction and Architecture», 2018, Vol. 931, pp 475-480. doi:10.4028/www.scientific.net/MSF.931.475.
15. Lyubomirskiy N., Bakhtin A., Bakhtina T. Alternative approach to the organization of hardening of dolomite binding materials // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 365 (2018) 032032. doi:10.1088/1757-899X/365/3/032032.
16. Lyubomirskiy N.V., Fedorkin S.I., Loktinova T.A., Nosatov V.G. Automatic installation and methods of studying the process of carbonization of lime // Stroitelstvo i tehnogennaya bezopasnost. -Simferopol: NAPKS. - 2007. - Vyp. 19-20. - Р. 7478.
17. Pat. 28051 Ukrayina, MPK (2006) G09B 5/00. Device for studying the carbonization process. Pat. 28051 Ukraine, MPK (2006) G09B 5/00 M.V. Lyubomirskiy, S.I. Fedorkin, T.O. Loktionova, O.S. Bakhtin (Ukraine). - № u 2007 07543; Zayavl. 05.07.2007; Opubl. 26.11.2007, Byul. № 219. - 2 р.
18. Pat. 2687821 RF, MPK (2006) G04B 28/18. Raw material mixture for the production of composite carbonized products: S.I. Fedorkin, N.V. Lyubomirskiy, E.A. Kogay, E.S. Makarova; Zayavl. 30.11.2017; Opubl. 16.05.2019, Byul. № 14. - 4 р
CARBONIZED WALL MATERIALS BASED ON FINE-GRAINED QUARTZ CLAY SANDS
Fedorkin S.I., Lyubomirskiy N.V., Kogay E., Makarova E.
Academy of Construction and Architecture (Academic Unit) of V.I. Vernadsky Crimean Federal University, 181 Kievskaya St., Simferopol, Republic of Crimea, Russian Federation
1kfu.fedorkin@mail.ru; 2niklub.ua@gmail.com; 3kogay_emil@mail.ru; 4k.makarova11@mail.ru
Abstract. The article shows the possibility of obtaining durable wall materials based on fine-grained quartz clay sand and lime by semi-dry pressing with use of forced carbonization. The physical and mechanical properties of the material have been established. A product manufacturing technology is proposed. Key words: wall materials; fine-grained quartz clay sand; carbonization; technology.
