CC BY
103
УДК 546.284, 691.327 © П.С. Гордиенко, А.В. Козин,
С.Б. Ярусова, И.Г. Згиблый, 2014
КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА БОРНОЙ КИСЛОТЫ С ПОЛУЧЕНИЕМ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СТРОЙИНДУСТРИИ*
Показана возможность применения материала на основе волластонита, полученного при комплексной переработке отходов производства борной кислоты, в качестве тонкодисперсной добавки в мелкозернистые бетоны. Исследовано влияние добавки на основе волластонита на прочность мелкозернистого бетона при изгибе и при сжатии. Ключевые слова: борогипс, волластонит, бетон, прочность
Дальний Восток России имеет запасы уникального минерального сырья, но существующие в настоящее время технологии переработки не позволяют эффективно его использовать. За годы работы предприятий горнорудной и химической промышленности на Дальнем Востоке накоплены миллионы тонн техногенных отходов, которые в настоящее время не перерабатываются. Так, общее количество отходов производства борной кислоты - боро-гипса - в Дальневосточном регионе (г. Дальнегорск и г. Комсомольск-на-Амуре) составляет более 50 млн. т. Поэтому проблема комплексной переработки борогипса с получением различных функциональных материалов является весьма актуальной.
Разложение датолитового концентрата серной кислотой протекает с образованием твёрдого отхода, содержащего до 2,2 масс. % B2O3, вследствие чего этот шлам называют борогипсом. Основными компонентами борогипса являются дигидрат сульфата кальция и аморфный кремнезём. Борогипс характеризуется следующим содержанием основных компонентов, масс. %: SiO2 -26-28; CaO - 26-28; SO42" - 38-40; Fe2O3 - 1,8-2; AI2O3 - 0,6-0,8;
* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, по постановлению П 218, договор № 02.025.31.0035-225 от 12 февраля 2013 г. между Открытым акционерным обществом «Дальневосточный завод «Звезда» и Министерством образования и науки Российской Федерации.
B2O3 - 0,7-1,2; MnO - 0,2; MgO - 0,1-0,2. На 1 т полученной борной кислоты приходится до 5-5,5 т борогипса.
Следует отметить, что систематические научные исследования, связанные с проблемой комплексной переработки многотоннажных отходов производства борной кислоты, практически не проводились с начала 90-х гг. XX в. В отдельных работах было предложено получать из борогипса дигидрат сульфата кальция, диоксид кремния, жидкое натриевое стекло [1, 2].
С 2007 г. Институтом химии Дальневосточного отделения Российской академии наук совместно с Владивостокским государственным университетом экономики и сервиса, Дальневосточным федеральным университетом и армянскими учеными активно проводятся работы, связанные с разработкой физико-химических основ комплексной переработки борогипса. Показана возможность комплексной переработки борогипса с получением гидросиликатов кальция, волластонита и калийных удобрений [3]. Исследованы кинетические закономерности ультразвукового, микроволнового и автоклавного синтеза гидросиликатов кальция и волластонита из борогипса [4, 5].
Известно, что в настоящее время волластонитCa6Si6O18 является одним из перспективных минеральных наполнителей, применяемых в различных отраслях промышленности [6-10]. Волла-стонит используется в качестве различных добавок в материалы с целью увеличения их прочности, жаростойкости, химической стойкости и износостойкости, улучшения диэлектрических и электрических характеристик, сокращения длительности технологических процессов при их изготовлении, снижения температуры обработки. Одним из перспективных направлений применения волластонита является добавление его в виде тонкодисперсной добавки в мелкозернистые бетоны.
В Дальневосточном федеральном университете показана возможность использования добавки на основе волластонита, полученного из борогипса, при производстве бетона.
Для получения добавки на основе волластонита борогипс смешивали с раствором гидроксида калия квалификации «ч.д.а» в стехиометрическом соотношении. Синтез проводили в автоклаве при давлении 1,7 атм. (температура 118 °С) в течение 3 ч. После окончания заданного интервала времени полученную смесь из-
влекали из автоклава, осадок промывали дистиллированной водой, нагретой до 60-70 °С, отделяли от раствора фильтрованием через бумажный фильтр «синяя лента» и сушили при температуре 85 °С в течение 5 ч. Выход целевого продукта контролировали по количеству гидроксида калия, прореагировавшего в результате реакции. Волластонит получали путём обжига образовавшегося в результате синтеза гидросиликата кальция при 1200 °С.
Согласно данным рентгенофазового анализа, в составе образца, полученного после обжига при 1200 °С, обнаружены кристаллические фазы псевдоволластонита моноклинной модификации (высокотемпературная полиморфная модификация волластонита), волластонита триклинной модификации и сульфата кальция (рис. 1). Удельная поверхность полученного материала - 1,2 м2/г.
Для изготовления балочек применяли суперпластификатор С-3. Для введения в бетон применяли водный раствор суперпластификатора С-3, затем к полученному раствору добавлялиматериал
Рис. 1. Дифрактограмма образца, полученного из борогипса, после обжига при 1200 °С: ■ - псевдоволластонит, ♦ - волластонит, • - СаБ04
на основе волластонита в виде порошка и перемешивали миксером в течение 2 мин до получения однородной суспензии. Добавка на основе волластонита вводилась в количестве от 2 до 4%.Цемент в количестве 500 г засыпали в чашу лабораторного смесителя (тип 1.0203.01 компании «Testing») и к нему приливали воду, затем перемешивали в течение 30 сек. Общее количество воды составляло 250 мл,т.е. соотношение В/Ц=0,5. В получившуюся массу добавляли приготовленную суспензию и перемешивали в течение 30 сек. Следующим этапом в смесь постепенно вводили песок в количестве 1500 г и перемешивали при 140 об/мин в течение 2 мин и при 285 об/мин в течение 30 сек. Приготовленную смесь вручную послойно укладывали в форму 3ФК и на виброплощадке (модель СМЖ-539)вибрировали в течение 5 сек. Форму с образцами накрывали стеклом, и по истечении 1 суток проводили распалубку. Изготовленные образцы укладывали в камеру нормального твердения (модель КПУ-1М) на подкладкии хранили 27 суток. Температура в камере 20 °С, относительная влажность воздуха 95%. По истечении 28 суток с даты изготовления образцы вынимали из камеры. В течение 4 ч образцы находились в естественных условиях помещения, в котором впоследствии испытывались, т. е. при температуре воздуха в пределах 20±5 °С и относительной влажности воздуха не менее 55 %. Далее образцы испытывали на изгиб и на сжатие на комбинированной машине (тип 1.0244 компании «Testing»).
Полученные результаты показали, что добавка 3,5 % материала на основе волластонита, полученного при автоклавном синтезе из борогипса, позволяет увеличить предел прочности мелкозернистого бетона при сжатии до 35 % и при изгибе до 50 % (рис. 2). При содержании добавки 3% наблюдается снижение прочности испытываемых образцов. Для объяснения данного эффекта необходимы дальнейшие исследования.
Таким образом, введение в состав цемента микроармирую-щей добавки на основе волластонита приводит к повышению прочности бетона и к изменению величины водопоглощения. Выявлены максимальные значения прочности, соответствующие оптимальному количеству добавки. Добавка на основе волласто-нита, получаемая из отходов борного производства, может быть рекомендована при получении бетонов.
&
A s i 1 I»
3*
i
о
+=
Рис. 2. Влияние добавки на основе волластонита на прочность мелкозернистого бетона при изгибе (слева) и при сжатии(справа)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Киндалюк Е.Г., Семлёв В.С., Кондриков Н.Б., Реутов В.А. Выщелачивание шламов борогипса // Химия и химическое образование: IV Межд. Симпозиум, 16 - 19 мая 2007 г., Владивосток: [сб. науч. тр.]. - Владивосток, 2007. С. 182.
2. Семлёв В.С., Киндалюк Е.Г., Француз Д.А., Кондриков Н.Б., Реутов В.А. Получение жидкого натриевого стекла // Химия и химическое образование: IV Межд. Симпозиум, 16 - 19 мая 2007 г., Владивосток: [сб. науч. тр.]. - Владивосток, 2007. С. 196-197.
3. Гордиенко П.С., Ярусова С.Б., Колзунов В.А., Сушков Ю.В., Чередниченко А.И., Крысенко Г. Ф., Баринов Н.Н. Получение силикатов кальция из отходов переработки борсодержащего минерального сырья // Химическая технология. 2011. Т. 12. № 3. С. 142-147.
4. Гордиенко П.С., Баграмян В.В., Ярусова С.Б., Саркисян А.А., Крысенко Г.Ф., Полякова Н.В., Сушков Ю.В. Влияние микроволновой обработки на кинетику формирования и морфологию гидросиликатов кальция // Журнал прикладной химии. 2012. Вып. 85. № 10. С. 1582-1586.
5. Гордиенко П.С., Ярусова С.Б., Супонина А.П., Сушков Ю.В., Степанова В.А. Влияние ультразвуковой обработки на кинетику формирования гидросиликата кальция из борсодержащих техногенных отходов // Химическая технология. 2014. Т.15. № 10. С. 577-581.
6. Тюльнин В.А., Ткач В.Р., Эйрих В.И., Стародубцев Н.П. Волластонит: уникальное минеральное сырье многоцелевого назначения. М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003. 144 с.
7. Гладун В.Д., Акатьева Л.В., Андреева Н.Н., Холькин А.И. Получение и применение синтетического волластонита из природного и техногенного сырья // Химическая технология. 2004. № 9. С. 4-11.
8. Демиденко Н.И., Подзорова Л.И., Розанова В.С., Скороходов В.А., Шевченко В.Я. Волластонит - новый вид природного сырья (обзор) // Стекло и керамика. 2001. № 9. С. 15-17.
9. CopelandJ.R.Wollastonite // MiningEngineers. 1979. - V. 31. - № 5. -P. 578- 579.
10. Чистяков Б.З. Перспективы использования волластонита // Волластонит / гл. ред. В.П. Петров. М.: Наука, 1982. С. 15-18.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Гордиенко Павел Сергеевич - доктор технических наук, профессор, зав. лаб. защитных покрытий и морской коррозии Института химии ДВО РАН, ведущий научный сотрудник Межведомственного научно-образовательного центра «Перспективные технологии и материалы» ВГУЭС, E-mail: pavel.gordienko@mail.ru Козин Андрей Владимирович - старший преподаватель, зав. лабораторией кафедры строительства и управления недвижимостью Инженерной школы ДВФУ, E-mail: prosek@mail.ru
Ярусова Софья Борисовна - кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории защитных покрытий и морской коррозии ИХ ДВО РАН, директор Научно-исследовательского центра ВГУЭС, руководитель Межведомственного научно-образовательного центра «Перспективные технологии и материалы» ВГУЭС, E-mail: yarusova_10@mail.ru
Згиблый Игорь Геннадьевич - младший научный сотрудник лаборатории стратегического планирования ВГУЭС, E-mail: xaser2004@inbox.ru
UDC 546.284, 691.327
COMPLEX PROCESSING OF THE BORIC ACID PRODUCTION WASTE WITH MANUFACTURE OF MATERIALS FOR CONSTRUCTION INDUSTRY
Gordienko P.S., Doctor of Engineering Science, professor, Institute of Chemistry, FEB of RAS, leading research worker of the Interdepartmental research and educational center "Advanced technologies and materials" of the Vladivostok State University of Economics and Service, e-mail: pavel.gordienko@mail.ru, Russia,
Kozin A.V., Senior lecturer, head of laboratory of department of construction and property management of the Engineering School of FEFU, e-mail: prosek@mail.ru, Russia, Yarusova S.B., Candidate of chemical sciences, research worker of laboratory for protective covers and marine corrosion of the Institute of Chemistry, FEB of RAS, Director of the Interdepartmental research and educational center "Advanced technologies and materials" of the Vladivostok State University of Economics and Service, e-mail: yarusova_10@mail.ru, Russia, Zgibly I.G., junior research assistant of laboratory of the strategic planning of the Vladivostok State University of Economics and Service, e-mail: xaser2004@inbox.ru, .
The possibility of using the wollastonite-based material obtained from boric acid production waste as an additive in fine-grained concrete is shown.
Key words: borogypsum, wollastonite, concrete, strength
REFERENCES
1. Kindaljuk E.G., Semljov V.S., Kondrikov N.B., Reutov V.A. Vyshhelachivanie shlamov borogipsa (Leaching of borogypsum slurries) // Himija i himicheskoe obrazovanie: IV Mezhd. Simpozium, 16-19 maja 2007, Vladivostok: [sb. nauch. tr.]. Vladivostok, 2007. 182 p.
2. Semlyov V.S., Kindalyuk E.G., Frantsuz D.A., Kondrikov N.B., Reutov V.A. Production of the sodium water glass // Chemistry and chemical education: IV International Symposium, May 16 - 19, 2007, Vladivostok: [collection of research papers] - Vladivostok, 2007. C. 196197 (in Russian).
3. Gordienko P.S., Yarusova S.B., Kolzunov V.A., Sushkov Yu.V., Cherednichenko A.I., Krysenko G.F., Barinov N.N. Production of calcium silicates from the waste of the boron-
containing mineral raw materials processing // Chemical technology. 2011. V. 12. No. 3. P. 142147 (in Russian).
4. Gordienko P.S., Bagramyan V.V., Yarusova S.B., Sarkisyan A.A., Krysenko G.F., Polyakova N.V., Sushkov Yu.V. Effect of microwave treatment on the formation kinetics and morphology of hydrous calcium silicates // Journal of Applied Chemistry. 2012. Issue 85. No. 10. P. 1582-1586 (in Russian).
5. Gordienko P.S., Yarusova S.B., Suponina A.P., Sushkov Yu.V., Stepanova V.A. Effect of ultrasonic treatment on the formation kinetics of hydrous calcium silicate from the boron-containing technogenic waste // Chemical technology. 2014. V.15. No. 10. P. 577-581 (in Russian).
6. Tyulnin V.A., Tkach V.R., Eirikh V.I., Starodubtsev N.P. Wollastonite: unique multipurpose mineral raw materials. Moscow: Publishing house "Ore and metals", 2003.144 p. (in Russian).
7. Gladun V.D., Akatyeva L.V., Andreeva N.N., Kholkin A.I. Production and application of synthetic wollastonite from natural and technogenic raw materials // Chemical technology. 2004. No. 9. P. 4-11 (in Russian).
8. Demidenko N.I., Podzorova L.I., Rozanova V.S., Skorokhodov V.A., Shevchenko V.Ya. Wollastonite is a new kind of natural raw material (review) // Glass and ceramics. 2001. No. 9. P. 15-17 (in Russian).
9. CopelandJ.R. Wollastonite // Mining Engineers. 1979. V. 31. No. 5. P. 578- 579.
10. Chistyakov B.Z. Prospects of wollastonite using // Wollastonite / Editor-in-chief V.P. Petrov. Moscow: Nauka, 1982. P. 15-18 (in Russian).
УДК 624.15.624:139.34 © Б.В. Краснощек, П.А. Аббасов, 2014
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЛОПАСТНЫХ СВАЙ В УСЛОВИЯХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
Содержит методику расчета лопастных свай по первой группе предельных состояний на вдавливающие и выдергивающие нагрузки в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов. Учтено возможное наличие напластования различных грунтов в пределах глубины погружения сваи. Ключевые слова: Многолетнемерзлые грунты, лопастная свая, несущая способность.
При подземной прокладке магистральных трубопроводов в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов возникает потребность фиксации трубы в проектном положении. Эту задачу решают одним из следующих способов:
— свободной укладкой трубы на опоры с балластировкой ее грузами;
