CC BY
30
Лебедев М.С.1, Потапова И.Ю.2, Лютенко А.О.3 ©
13 Кандидат технических наук; 3доцент; 1,2 инженер кафедры «Строительного материаловедения, изделий и конструкций»; 3доцент кафедры «Городской кадастр и инженерные изыскания» Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ОСОБЕННОСТИ СОСТАВА АЛЮМОСИЛИКАТНОГО СЫРЬЯ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ЕГО
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация
В статье представлены исследования состава алюмосиликатных пород осадочной толщи с позиции применения их в качестве сырья для получения дорожно-строительных материалов.
Ключевые слова: алюмосиликатное сырье, состав, дорожно-строительные материалы Keywords: aluminosilicate raw materials, composition, road-construction materials
На сегодняшний день основу всех строительных материалов, в том числе для дорожного строительства, составляют природные и техногенные неметаллические образования - горные породы и отходы промышленности различного генезиса, дисперсности и, следственно, состава. Особенности последнего оказывают значительное влияние на физико-механические, химические, адсорбционные и другие характеристики материалов, применяемых в качестве сырья (например, для получения вяжущих) или компонентов (заполнители, наполнители) в строительных композитах, а также на возможности их использования в той или иной области строительства. Поэтому знание фазового состава сырьевых материалов является важнейшим фактором, определяющим степень их пригодности, масштабы применения, а также позволяет предложить тот или иной способ обработки или улучшения качества, исходя из его перспективности для достижения поставленной цели.
В данной работе изучалось алюмосиликатное сырье Южного Урала, приуроченное к угленосным пластам Коркинского месторождения, расположенного на территории Челябинской области. В качестве объектов исследований было выбрано 7 проб горных пород из отходов углеобогащения и вскрыши, отличающиеся большим разнообразием физико-механических, физико-химических, технологических и других свойств. Среди них преимущественно глинистые образования (пробы № 6, 7), полиминеральные породы с включениями кремнистых органогенных остатков (проба № 4, 5) и примесями углистого вещества (пробы № 1-3). Наличие грунтов с органическими остатками (опока и опоковидная глина) может говорить об их седиментационном происхождении в древних водоемах, располагавшихся в этих местах [1, 4].
Генезис этих отложений определяет химический состав пород (таблицы 1, 2). Химический анализ алюмосиликатного сырья с применением спектральных методов проводился без учета потерь при прокаливании, и данные приведены при расчете на 100 % (таблица 1).
Исходя из данных химического состава все пробы можно условно разделить на 2 группы, отличающиеся численным соотношением Al2O3/SiO2. Как было отмечено ранее [2, 68], можно выделить 4 подгруппы (см. таблицу 1): с высоким соотношением Al2O3/SiO2 с примесями углистого вещества (пробы № 1-3); с высоким Al2O3/SiO2 преимущественно глинистого состава (№ 6, 7); с низким Al2O3/SiO2 преимущественно глинистого состава (№ 4); с низким Al2O3/SiO2 с высоким содержанием опала (№ 5).
Учитывая специфику района отбора проб, а именно его местонахождение в угленосном бассейне, для первой группы материалов (пробы № 1-3) характерно достаточно высокое содержание органических примесей в виде углистого вещества, после термической обработки потери от которых составляют до 96 % от общей потери массы образцов (таблица 2).
Таблица 1
Данные химического анализа алюмосиликатного сырья
Наименование Массовая доля компонентов, %, в пробах
компонентов Наименование пробы
© Лебедев М.С., Потапова И.Ю., Лютенко А.О., 2013 г.
и 4 5 а а л п о - н S ч о а а ! н s s - а £ Я \о о а а § 0 а 1 ^ 3 - а® м 2 о ^ И О § ч о 4 о о размером 1-3 мм)Проба № 2 (Частицы аргиллита, и угля Проба № 3 (Песчаник, алевролит, аргиллит, уголь) Проба № 7 (Аргиллит) Проба № 6 (Породы угленосной толщи: песчаник, алевролит, аргиллит, уголь) Проба № 4 (Глина опоковидная) Проба № 5 (Опока)
SiO2 62,8 54,3 53,4 62,4 67,3 78,5 82,4
А120з 23,8 20,1 19,2 21,2 16,7 10,9 7,83
Fe2O3 4,39 9,54 14,1 6,71 6,4 5,22 4,13
K2O 2,11 2,64 3,02 3,02 2,85 1,91 1,91
TiO2 2,09 1,11 1,74 0,931 0,968 0,696 0,480
MgO 1,44 1,58 0,575 2,36 1,85 1,64 0,895
CaO 1,22 3,3 1,08 0,966 1,17 0,634 0,767
SO3 0,889 6,57 6,03 0,131 0,917 0,13 0,988
прочие оксиды 1,26 0,86 0,85 2,28 1,84 0,37 0,6
Численное отношение AbO3/SiO2 С высоким отношением С низким отношением
0,38 0,37 0,36 0,34 0,25 0,14 0,10
СНИЖЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ AbOs/SiO2
Отличительные особенности Примеси углистого вещества Высокое содержани е опала
Условное обозначение группы Ab03/Si02=0,36-0,38 углесодержащие Al203/Si02=0,25-0,34 AbO3/SiO2 =0,14 AbO3/SiO2 =0,10 опалсодер -жащая
преимущественно глинистого состава
Минеральный состав алюмосиликатного сырья определяли при помощи качественного рентгенофазового анализа (РФА) с применением базы данных PDF-2 Международного центра дифракционных данных (ICCD) и программного обеспечения Crystallographica Search-Match (Oxford Cryosystems). Проведенный анализ показал, что в составе образцов присутствуют кварц, глинистые минералы (каолинит, Ca-монтмориллонит, гидрослюдистые образования (иллит)), слюды (биотит) и полевые шпаты (альбит, анортит) (рисунок 1). Высокий фон на дифрактограммах свидетельствует о наличии в породах как кристаллических, так и рентгеноаморфных и псевдокристаллических минералов. К последним следует отнести углеродистый аморфный материал и кристаболит-тридимитовые опалы из остатков древних водорослей.
Таблица 2
Содержание легколетучей и трудногорючей частей в алюмосиликатном сырье
Наименование показателя проба № 1 проба № 2 проба № 3 проба № 4 проба № 5 проба № 6 проба № 7
Содержание легколетучей горючей части, % 11,07 20,93 29,64 5,83 3,78 6,30 5,43
Содержание трудногорючей части,% 2,14 0,88 0,42 0,21 0,24 0,38 0,68
Общая потеря массы, % 15,47 23,25 31,24 7,89 5,99 8,21 8,23
■с
о о к ей в и И и н X
3
4 10 16 22 28 34 40 46 52 58
20 П
Рис.1 - Рентгенограммы образцов исходного алюмосиликатного сырья
Среди прочих выделяются пробы № 4 и 7, имеющие в своем составе монтмориллонит. В пробе № 5 и особенно в пробе № 2 имеется отражение на 11,60°. В качестве возможной дополнительной фазы был идентифицирован минерал хоелит (НоеШе) - С7ОН4 (ICDD 28-2002), образование которого вполне возможно, учитывая близость угленосных горизонтов.
Таким образом, полученные данные позволяют говорить о том, что минеральный состав весьма характерен для осадочных пород: преобладание кварца и слоистых алюмосиликатов в виде глинистых фаз. Стоит отметить, что полученные результаты РФА (рисунок 1) согласуются с данными химического анализа (таблица 1).
Как известно, существует несколько десятков минералов, которые являются основными компонентами горных пород. Самыми распространенными минералами из всех являются силикаты, которые и по общей массе, и по количеству превышают все остальные минералы вместе взятые: почти треть всех минералов является силикатами, на них приходится 90 % земной коры. Одни только кварц и полевые шпаты составляют значительную часть большинства горных пород. Кварц - один из самых распространенных минералов, он является основным компонентом многих магматических и метаморфических горных пород, а также ввиду своей твердости и устойчивости к гипергенезу, большинства осадочных горных пород [3, 202]. Глинистые минералы являются разновидностью этой наиболее распространенной группы, и представляют собой силикаты алюминия и магния, встречаются в виде тонкодисперсных частиц, которые образуются в результате гипергенеза других минералов под воздействием воды и высокой температуры. Они являются наиболее используемыми, но в то же время наименее изученными и не стабильными по составу и кристаллоструктурному состоянию. Минералы глин являются наноразмерными по своей кристаллохимической структуре [4, 93].
Однако несмотря на повсеместное распространение силикатсодержащие горные породы не находят широкого применения в дорожном строительстве, особенно применительно к области органоминеральных смесей и композитов. Это, по всей видимости, связано с необходимостью модифицирования и активации поверхности таких минеральных материалов. Но это в основном
касается кремнеземсодержащих горных пород, например кварцевых песков, гранитов и др. Если же говорить о глинистых грунтах, то применению препятствует их способность легко впитывать воду и терять устойчивость при водонасыщении. Однако, исходя из размеров отдельных частиц (до нескольких микрон), данный вид сырья является перспективным с точки зрения использования в качестве компонента вяжущих или минерального порошка. Часть вещества рассмотренных образцов является рентгеноаморфным и, исходя из своего размера, представляет собой высокореакционный материал, который позволяет говорить об изучаемых глинистых породах как об активных компонентах вяжущих, наполнителей и других составляющих строительных материалов. Кроме того, улучшению физико-механических характеристик таких сырьевых материалов будет способствовать применение различных методов модифицирования, активации или гидрофобизации, благодаря чему можно в том числе изменить кристаллохимические особенности данных пород. Mожно предложить различные пути улучшения качества, такие как обработка известью, небольшим количеством битума с поверхностно-активными веществами, гидрофобизирующими растворами и др.
Вопросами улучшения глинистого сырья с целью применения их в качестве компонентов дорожно-строительных материалов занимались такие исследователи как ВЖ. Безрук, ВЖ. Mогилевич, Г.Н. Левчановский, С.Д. Воронкевич, В.Д. Глуховский, А.К. Бируля, M.И. Волков, CM. Mурaвлянский и другие. Ряд научных школ под руководством профессоров Н.Н. Иванова, В.В. Охотина, П.А. Замятинского и M.M. Филатова занимались, начиная с 1930 г., разработкой методов улучшения физико-механических свойств грунтов в дорожных целях. При этом были накоплены обширные знания о влиянии свойств грунтов на процессы их укрепления вяжущими веществами [5, 11; б, Si; 7, 45].
За рубежом заметная активизация исследований в данной области началась 30 лет назад, после пионерских работ Дж. Давидовича (J. Davidovich). В настоящее время активные работы по использованию техногенного алюмосиликатного сырья в дорожном строительстве проводятся исследовательскими коллективами в США, Франции, Китае и Австралии [S, 53].
В РФ, на сегодняшний день, исследования в данном направлении полномасштабно проводятся в БГТУ им. В.Г. Шухова. Изучением возможности использования отходов горнодобывающих предприятий, в том числе некондиционного глинистого сырья, при производстве дорожно-строительных материалов занимаются научные школы Лесовика В.С. [9, 219], Гридчина АЖ [10, 7; 11, 31], Строковой В.В. [12, 73]
Исходя из объемов потребляемых ресурсов дорожная отрасль занимает одно из ведущих мест. Учитывая такие масштабы строительства и производства дорожно-строительных материалов использование крупнотоннажных силикатсодержащих пород является весьма перспективным.
Литература
1. Баранова Ы.Н., Коренькова С.Ф., Чумаченко Н.Г. История освоения кремнистых пород // Строительные материалы. 2011. № 8. С. 4-7.
2. Изменение свойств минеральных порошков из алюмосиликатного сырья под влиянием термической модификации / Ы.С. Лебедев, В.В. Строкова, И.В. Жерновский, И.Ю. Потапова // Строительные материалы. 2012. № 9. С. б8-70.
3. Фарндон Д. Драгоценные и поделочные камни, полезные ископаемые и минералы. Энциклопедия коллекционера [пер. О. Строгановой; науч. консультант А.С. Тарантов]. M.: Эксмо, 2009. 25б с.
4. Строкова В.В., Жерновский И.В., Череватова А.В. Наносистемы в строительном материаловедении: учеб. пособие. Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. 205 с.
5. Укрепленные грунты. (Свойства и применение в дорожном и аэродромном строительстве) / В.Ы. Безрук, И.Л. Гурячков, Т.Ы. Луканина, Р.А. Агапова. M.: Транспорт, 1982. 231 с.
6. Филатов M.M. Почвенный поглощающий комплекс и дорожные условия / M. M Филатов: Тр. ГДОРНИИ. M., 2000. С.81-83.
7. Бируля А.К. Новые конструкции оснований для дорожных покрытий // Строительство дорог. 1989. № б. С. 45-4S.
8. Использование в дорожном строительстве местных материалов. Actions pour le developpement des materiaux locaux en construction routire / Janati Idrissi Abdelhamid, Rais Abdelouahab // Rev. gen. routes et aerodr. 1998. №rs serie 2. С. 2. С. 53-54.
9. Использование техногенного сырья в дорожном строительстве / В.С. Лесовик, А.Ы. Беляев, Н.Д. Кондратьева, Р.В. Лесовик, А.В. Кузнецов // «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии»: материалы международной научно-практической конференции. Ростов-на-Дону: Изд-во РГСУ, 2000. С. 219-221.
10. Гридчин А.Ы. Решение проблемы утилизации техногенного сырья КЫА // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. №4. С. 7-10.
11. Использование техногенного сырья для устройства оснований автомобильных дорог / А.М. Гридчин, С.М. Шаповалов, Н.В. Ряпухин, А.Н. Ластовецкий, Ю.В. Литвинова // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2007. №2. С. 31-33.
12. Строкова В.В., Щеглов А.Ф., Карацупа С.В. Особенности структурообразования в системе глинистые породы - известьсодержащие отходы - цемент // Строительные материалы. 2004. № 3. С. 73.
