CC BY
113
Вестник ДВО РАН. 2010. № 1
УДК 666.949.9
Л.И.ХУДЯКОВА, О.В.ВОЙЛОШНИКОВ, И.Ю.КОТОВА
Отходы горнодобывающих предприятий как сырье для получения строительных материалов
Рассмотрена возможность использования отходов горнодобывающих предприятий (дунитов) при производстве смешанного цемента. Эти материалы обладают хорошими физико-механическими показателями. Применение данного сырья позволит получить новые виды товарной продукции: портланд-цемент с минеральными добавками и цемент с добавкой дунита 30%.
Ключевые слова: отходы горнодобывающих предприятий, смешанный цемент, минеральные добавки, портландцемент, отвальные породы, экологически чистое горнодобывающее предприятие.
Waste products of mining enterprises as raw materials for construction materials. L.I.KHUDYAKOVA,
O.V.VOILOSHNIKOV, I.Yu.KOTOVA (Baikal Institute of Nature Management SB RAS, Ulan-Ude).
Possibility to use waste products of mining enterprises — dunites — in manufacturing composite cement is considered in the paper. Dunites possess good physicomechanical characteristics. Application of this raw material will permit us to receive new kinds of construction materials: portland cement with mineral components and cement with 30% dunite component.
Key words: waste products of mining enterprises, composite cement, mineral component, portland cement, waste rocks, ecological pure mining enterprises.
Освоение месторождений полезных ископаемых часто приводит к нарушению равновесия в экосистемах. На долю горнодобывающих и горноперерабатывающих предприятий приходится более 70% объема всех отходов промышленного производства.
Для снижения негативного воздействия горнодобывающие предприятия в зависимости от вещественного состава отходов, их физико-механических свойств, количества, технологических особенностей и т.д. должны перерабатывать эти отходы, например выпускать высококачественную товарную продукцию, в частности строительные материалы. Однако магнийсиликатные породы (дуниты) - нетрадиционное сырье, поэтому в промышленности практически не используются. Исходя из этого предполагается изучить физико-химические свойства цементов из магнийсиликатных горных пород и возможность получения из них строительных материалов.
Дуниты слагают многие массивы, входящие в состав щелочно-ультраосновных формаций. Они расположены по всей территории России: с запада на восток с Уральского платиноносного пояса через Восточную Сибирь на Дальний Восток. На Дальнем Востоке на Алданском щите наиболее важными являются щелочно-ультраосновные массивы Кон-дерского комплекса, локализованные на юго-востоке Алданского щита [4]. В Восточной Сибири особый интерес представляет Йоко-Довыренский массив, который находится в 60 км к северу от БАМа [3].
ХУДЯКОВА Людмила Ивановна - кандидат технических наук, научный сотрудник, ВОЙЛОШНИКОВ Олег Васильевич - кандидат технических наук, ведущий инженер, КОТОВА Ирина Юрьевна - кандидат химических наук, научный сотрудник (Байкальский институт природопользования СО РАН, Улан-Удэ).
E-mail: lkhud@binm.bscnet.ru
Работа выполняется по программе ОХНМ РАН № 5.5.2 «Получение новых видов материалов с высокими эксплуатационными характеристиками из отходов горнодобывающей промышленности».
2-Thefca- Scale
Рентгенограммы: 1 - портландцементный клинкер, 2 - дунит-портландцементный клинкер (3 : 7), 3 - дунит
В данной работе в качестве минеральной добавки при производстве смешанного цемента рассматривались отвальные породы Йоко-Довыренского дунит-троктолит-габбро-вого массива из Северо-Байкальского района Республики Бурятия со следующим содержанием основных компонентов (мас. %): SiO2 - 37,40; Al2O3 - 1,25; MgO - 40,81; CaO - 0,40; Fe2O3 - 3,10; FeO - 12,60; K2O+Na2O - 0,1(5 [3].
На свойства цемента влияют количество вводимого в смесь дунита, дисперсность порошка, условия твердения. Для изучения были приготовлены смеси портландцементного клинкера с добавкой дунита 20-40%, в которые включали 3% гипса от массы смеси. Затем измельчали до величины удельной поверхности 280-560 м2/кг. Смесь затворяли водой при водотвердом соотношении 3 : 10 и формовали образцы - кубы размером 2 х 2 х 2 см - из раствора нормальной густоты, контролируемой прибором Вика. Образцы твердели в нормально-влажностных условиях в течение 7 и 28 сут и подвергались тепловлажностной обработке при 90оС в режиме 2 + 5 + 2 ч. Испытания проводили по ГОСТ 310 «Цементы. Методы испытаний» [1].
При изучении физико-химических и структурных взаимодействий дунита с цементным клинкером использован комплексный метод, включающий химический и рентгенофазовый анализы. Определялись следующие характеристики вяжущего вещества: фазовый состав, процессы гидратации и твердения в нормально-влажностных условиях.
Дисперсность полученных материалов определялась на измерителе удельной поверхности ПСХ-2. Рентгенофазовый анализ (РФА) проводился на порошковом автоматическом дифрактометре D8 Advance фирмы «Brukeraks» с соответствующим программным обеспечением со скоростью угломера 2о в минуту в интервале 5-70о. Режим съемки рентгенограмм для всех проб оставался постоянным. Расшифровка производилась по справочным данным.
Качество цемента зависит от тонкости помола: между компонентами измельчаемой системы интенсифицируются физико-химические реакции. В наших исследованиях прочность цемента определялась при сжатии образцов в зависимости от величины удельной поверхности сырьевой смеси. Измельчение проводилось в стержневом вибрационном измельчителе типа 75Т-ДрМ.
Наибольшие прочностные характеристики имеют смеси, измельченные до 450 м2/кг (табл. 1). С увеличением удельной поверхности значение предела прочности при сжатии образцов падает. Но для достижения максимальной прочности необходимы большие затраты электроэнергии, поэтому оптимальной принимаем величину 340 м2/кг.
Прочность образцов с добавкой дунита выше, чем контрольного.
Для оценки влияния количества дунита на прочность цемента были приготовлены смеси с величиной удельной поверхности цементов 340 м2/кг с разным процентным содержанием добавки (табл. 2). Как при тепловлажностной обработке, так и в условиях нормально-влажностного твердения прочности образцов композиций дунита с портландцементом выше, чем контрольного образца.
Таблица 1
Влияние удельной поверхности на физико-механические показатели цементного теста с добавкой дунита
S , м2/кг уд’ Средняя плотность, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа Изменение прочности в сравнении с контрольным образцом, %
Вяжущее с до- 280 2380 56,5 +8,2
бавкой дунита 340 2392 62,5 +10,4
450 2418 66,7 +3,4
560 2427 60,1 +4,5
Контрольный 280 2216 52,2
образец 340 2226 56,6
450 2229 64,2
560 2232 57,5
Физико-механические показатели цементных растворов на основе дунита
Количество дунита, мас. % Предел прочности, МПа Средняя плотность образца, кг/м3
после пропаривания, Ясж 3 е р е 4 28 сут
яж яшг
20 30,1 41,0 6,7 2233
25 31,6 42,0 6,9 2241
30 31,8 43,0 7,9 2249
35 30,9 42,1 7,6 2252
40 29,7 40,9 6,7 2257
0 28,8 40,2 6,8 2226
Максимум прочности цемента достигается при включении 30% дунита для образцов, твердеющих 28 сут как в нормально-влажностных условиях (43,0 МПа), так и после тепловлажностной обработки (31,8 МПа). Это объясняется лучшими структурно-размерными параметрами новообразований, получаемых гидратацией активных минералов портландцемента и модифицированных механоактивацией менее активных минералов дунита в такой смеси.
Согласно ГОСТ 31108-2003, максимальное количество добавки в цемент не может превышать 20% [2]. Так как наилучшие показатели прочности имеют составы с 30% добавки, мы можем получить 2 вида цемента: портландцемент с минеральными добавками марки М400Д20 и смешанный с 30% дунита цемент.
Следует отметить, что при введении до 40% магнийсодержащей добавки образцы цемента показали повышенную прочность при изгибе. Это объясняется образованием в процессе гидратации смешанного вяжущего вещества гидросиликатов магния волокнистой структуры, что положительно влияет на механические свойства материала. Наличие в полученном цементе гидросиликатов магния подтверждается рентгенофазовым анализом (см. рисунок).
Согласно данным РФА, 15-минутная механическая активация смеси в воздушной среде в стержневом вибрационном измельчителе приводит к заметному снижению интенсивности всех рефлексов дунита. В частности, пики системы «дунит-портландцементный клинкер» со значениями d 2,27 и 2,25 для оливина; 1,74 и 1,39 для форстерита на рентгенограмме практически не фиксируются. Кроме того, при механоактивации система изменяется: образуются новые пики, относящиеся к смешанным гидросиликатам Са-М^ типа амианта (3,58), тремолита (3,26), диопсида (1,82) и Са-Mg-Fe типа нефрита (3,30; 2,95; 2,05; 1,85) (см. рисунок).
Уменьшение интенсивности пиков дунита и появление новых свидетельствует об увеличении степени связывания его с портландцементным клинкером в смешанные гидросиликаты.
Новые виды цемента, полученного из отходов горнодобывающей промышленности, обладают хорошими прочностными характеристиками, обусловленными образованием смешанных гидросиликатов.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 310. Цементы. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1993. 46 с.
2. ГОСТ 31108-2003. Цементы общестроительные. Технические условия. М.: ФГУП ЦПП, 2004. 18 с.
3. Кислов Е.В. Йоко-Довыренский расслоенный массив. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 1998. 265 с.
4. Некрасов Н.Я., Ленников А.М., Октябрьский РА. Петрология и платиноносность кольцевых щелочно-ультраосновных комплексов. М.: Наука, 1994. 384 с.
