Перспективные твердеющие бесцементные смеси для закладки горных выработок Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СЕМИНАР 1

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98

И.А. Ощепков, КузГТУ

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТВЕРДЕЮЩИЕ БЕСЦЕМЕНТНЫЕ СМЕСИ ДЛЯ ЗАКЛАДКИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

На основе вторичного алюмо-силикатного сырья - отходов металлургической, энергетической, химической промышленности, а также природных материалов - нефелинового шлама, перлита разработаны составы сырьевых смесей, пригодных в качестве основы твердеющих закладок горных выработок. Для оценки пригодности применения вторичного алюмосиликатного сырья в качестве вяжущих компонентов в составе закладочных смесей применили критерии - "Модуль активности", используемые рядом зарубежных исследователей для предварительного обоснования применимости доменных шлаков в производстве шлакопортландцемен-тов. Критерии Паркера и Нерса -Мап.н.= (СаО+МgО + 1/3 Л^) / (5Ю2 + 2/3 АЬОз) > 1.0, Блондио -Маб,1 = СаО / SiО2 = 1.45... 1.54 и

Маб,2 = SiО2 / Л12О3 = 1,8__1,9, а

также принятый в Японии - МАя = (СаО+ MgO+Лl2Oз) / SiO2 > 1,4 оказались пригодными для предварительного обоснования применимости вторичного алюмосили-катного сырья в составе закладочных твердеющих смесей. Так, если гранулированный доменный шлак, сталеплавильный шлак, буроугольные золы-уноса, нефелиновый шлам, пыль-уноса производства кристаллического кремния, которая к тому же в присутствии гидрооксида натрия, образующегося, допустим, при наличии в смеси хлористого натрия, по реакциям: СаО + Н2О = Са(ОН)2; Са(ОН)2 + NaCl = СаСЬ + NaOH приводит к образованию жидкостекольных композитов, пригодных в качестве самостоятельных вяжущих компонентов, то каменноугольные золы как низкокальциевые вещества, а также перлитовая пыль-уноса почти на поря-

док имеют меньшие модули активности по сравнению с буроугольными золами и гранулированным доменным шлаком и поэтому могут применяться только совместно с сырьем с ярко выраженными вяжущими свойствами. Вторичное алюмосиликатное сырье, получаемое в результате высокотемпературных процессов, содержит остеклованные частицы, оболочка которых состоит, в основном, из кальциевого стекла, покрытые пленкой труднорастворимой кремниевой кислотой -Н2SiOз. Поэтому внутреннее содержимое частиц, состоящее из оксидов и минералов, недоступно для гидратации. Существуют различные приемы разрушения стек-лооболочек - сухой и мокрый помол в механических мельницах, помол в мельницах струйного типа. Наиболее приемлемо разрушение стеклооболочек с помощью химических реагентов. Например, кремниевая кислота при воздействии натриевой щелочи преобразуется в натриевую соль кремниевой кислоты: Н2SiОз + NаОН =

Na2SiOз + Н2О, которая в последующем участвует в кристаллохимических реакциях при образовании бесцементного камня.

В связи с изложенным, в основу создания бесцементных твердеющих закладок заложен принцип химической активизации вяжущих свойств вторичного алю-мосиликатного сырья в условиях гидравлического твердения. В качестве химических активизаторов гидравлического растворения и последующего твердения вторичных алюмосиликатов предложено использовать разработанные под руководством автора химические щелочесодержащие добавки на основе побочных продуктов производств капролактама -

«ЩСПК» (ТУ 113-03-488-84) и диафена «ФП» - «СОЛУТ - солевой ускоритель твердения» ТУ 113-03-18-88). Компоненты

ЩСПК - натриевые соли одно- и двухосновных карбоновых кислот и СОЛУТа - натриевые соли минеральных кислот - соляной, серной и тиосерной на стадии приготовления сырьевых смесей способствуют гидравлическому растворению минералов и оксидов алюмосиликатов и ускоряют этот процесс, а на стадии твердения ускоряют процессы формирования кристаллической структуры конгломератов закладочного материала. Хлористый кальций, образующийся в результате превращения хлористого натрия СОЛУТА, в обычном состоянии являющийся коррозионноактивным веществом, вступая в кристаллохимические реакции, приводит к образованию гидрохлора-люмината кальция, т.е. переходит в связанное состояние и становится не опасным с точки зрения коррозии. Сульфат и тиосульфат натрия в водных растворах проявляют свойства анионных возбудителей гидратаци-онного растворения кремнийсодержащих составляющих закладочной смеси и образования кремнийсодержащих минералов типа CSH ранней стадии структурообразова-ния искусственного камня.

Количествами добавки ЩСПК - 0,1... 1,5 % от масс потенциальных вяжущих материалов, натриевые соли карбоновых кислот которой. являясь поверхностноактивными веществами, пластифицируют сырьевую смесь, возможно регулировать продолжительность нахождения сырьевых закладочных смесей в пластическом состоянии для обеспечения их доставки к местам закладки в подземные выработки трубопроводным транспортом, а добавки СОЛУТа -

0,2...2 % от массы потенциальных вяжущих материалов возможно регулировать скорость схватывания и твердения закладочных смесей. В присутствии алюмосиликатов компоненты добавок ЩСПК и СОЛУТа выполняют роль вяжущих ингредиентов (а.с. №1754689).

Разработанные твердеющие смеси (бесцементные бетоны) на основе вяжущих материалов из вторичного местного сырья имели следующие прочностные показатели: 1) Компоненты смеси (здесь и далее) - нефелиновый шлам, инертные крупный и мелкий заполнители, ЩСПК, СОЛУТ, вода. Прочность «11 МПа; 2) Молотый электросталеплавильный шлак, мелкий инертный заполнитель, ЩСПК, СОЛУТ, вода. Проч-

ность «2,2 МПа; 3) Буроугольная зола-уноса, нефелиновый шлам, инертные крупный и мелкий заполнители, ЩСПК, СОЛУТ, вода, при различном соотношении золы и шлама. Прочность при увеличении доли золы с 30 до 70 % возрастала с 13 до 20 МПа; 4) Добавка пыли-уноса производства кремния в присутствии ЩСПК и СОЛУТа повышала гидравлическую активность зол-уноса на « 10 %; 5) Замена 5...10 % буроугольной золы-уноса перлитовой пылью-уноса практически не уменьшала прочности бетона; 6) Буроугольная зола-уноса, инертные крупный и мелкий заполнители, ЩСПК, СО-ЛУТ, вода. Прочность - до 40 МПа; 7) Зола-уноса буроугольная,

молотый горельник, ЩСПК, СОЛУТ, вода. Прочность - более 4 МПа; 8) Буроугольная зола-уноса, доменный молотый гран-шлак, СОЛУТ, вода. Прочность -более 10 МПа. Состав смеси (п.8) разработан совместно с сотрудниками ИГД им. А. А. Скочинского (а.с. № 1550178) и рекомендован к внедрению на комплексе упрочненной закладки "КУЗ-120" шахты "Коксовая" в Кузбассе.

Результаты выполненных работ показали перспективу и целесообразность применения твердеющих закладочных бесцемент-ных смесей на основе вторичного сырья различных отраслей промышленности.

© И.А. Ощепков