CC BY
23ü
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 5 (8)
УДК 691
DOI 10.24411/2686-7818-2020-10045
ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВЯЖУЩИХ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
© 2020 Б.Р. Исакулов, М.В. Акулова, Б.БКульшаров, А.М. Сартова, А.Б. Исакулов*
В работе рассматриваются основы новых безотходных технологий обезвреживания и комплексного использования отходов нефтегазовой отрасли республики Казахстана в виде строительных материалов. Это позволит решить экологическую и экономическую задачу в производстве строительных материалов республики.
Ключевые слова: сера отходы, утилизация, вяжущие, добавка, прочность.
Нефть занимает значительное место в топливно-энергетическом ба_лансе республики Казахстана. Большая часть запасов нефти в республике является сернистой и высокосернистой, содержание серы в ней колеблется от 0,02 до 7%. Наличие серосодержащих примесей в топливе (бензине, дизельном топливе и др.) приводит к коррозии моторов, снижению их мощности и наносит большой вред окружающей среде, что обуславли_вает перспективность научных исследований, на применение из-вле_ченной из нефти серы для разработки и внедрения серных бе_тонов в строительстве [1-2]. Среди различных видов сырья для производства элементарной серы сероводосодержащие газы в настоящее время за_нимают второе место после самородных серных руд. Доля серы, производимой из этих газов, непрерывно возрастает. В последние годы особое значение приобрели улавливание, утилизация серосодержащих соединений, присутствующих в различных промышленных выбросах. Они и являются основными загрязнениями атмосферы.
В настоящее время перспективность применения серы в строительстве обусловлена возможность получения серы из вторичных источников в результате утилизации серосодержащих отходящих газов, отходов производства серы и серной кислоты, а также очистки нефти, что особенно важно при быстро развивающейся нефтедобывающей промышленности Казахстана [3-4].
Поэтому с целью широкого применения серосодержащих бетонов в отечественной практи ке необходимы комплексные исследования это_го специфического строительного материала и определение его эффективности для различных регионов республики.
В настоящее время актуальным считается направления к снижению расхода цемента за счет использования отходов различных отраслей промышленности и в нашей работе исследовано повышенное количество наполнителей и добавок на основе отходов нефтегазовой отрасли вводимой взамен цемента. При этом наиболее оптимальным
* Исакулов Баизак Разакович (mr.Baizak@mail.ru) - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Дизайн и строительство», Актюбинский университет им. С. Баишева (Казахстан, Актобе); Акулова Марина Владимировна (m_akulova@mail.ru) - советник РААСН, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительного материаловедения, специальных технологии и технологических комплексов», Ивановский государственный политехнический университет (РФ, Иваново); Кульшаров Берик Балтабаевич (berikbai_79@mail.ru) - аспирант, Ивановский государственный политехнический университет (РФ, Иваново); Сартова Асима Мусаевна (akkete86@mail.ru) - аспирант, Ивановский государственный политехнический университет (РФ, Иваново); Исакулов Абилхаир Байзакович (abulik92@mail.ru) - преподаватель кафедры «Строительство», Актюбинский региональный государственный университет им. К. Жубанова (Казахстан, Актобе).
Архитектура и строительство
Ф
признано 30-33 %-е содержание наполнителей и добавок в составе вяжущих. Наиболее распространенным способом активации вяжущих является сухой и мокрый помол вяжущих компонентов. К одним из основополагающих факторов в процессах структу-рообразования относятся механохимичес-кие явления и их роль в системе «активированное вяжущее + вода». При этом структу-рообразование можно разделить на периоды: гидратация, растворение, коагуляция и кристаллизация, во время которых преобладают те или иные процессы.
На степень активации частиц вяжущих смесей существенное влияние оказывает способ и специфика измельчения, при котором активация происходит за счет релаксационных напряжений и конфигурационных искажений поверхностных атомов при воздействии механических и тепловых воздействии [5].
Для повышения активности вяжущих на основе отходов нефтегазовой отрасли техническую серу совместно пиритным огарком подвергали механохимической активации, т.е. совместному помолу различных измельчителях. При этом в составах смешанных смесей их количество подбирались с учетом применения условий среды и требований по эксплуатации.
Для полного изучения механизма механохимической активации вяжущего на основе отходов нефтегазовой промышленности и твердения на его основе принята комплексная методика последовательного изучения каждого этапа получения композиций: растворная смесь трехкомпонентного вяжущего - смешанные добавки - минеральное вяжущее. Анализ процессов, происходящих по этой последовательности, позволил выяснить причины повышения активности исходного вяжущего.
Для проведения экспериментальных работ нами приняты техническая (элементарная) сера, побочный продукт очистки нефти Жанажолского месторождения с чистой 99,о6%, массовая для золы - 0,40%; массовая доля летучих органических веществ -0,53%; массовая для влаги - 0,01% и пирит-ные огарки бывшего АО «Фосфорхим», состоящие главным образом из смеси оксидов железо (II, III) Fe3O4 (FO3, Fe2O3), с пересчетом на содержание железа 40 - 63%, и примесей серы 1-2%. Остальное оксиды цветных металлов. В работе применялся также портландцемент марки 400 Чимкентского цементного завода.
Испытание цемента проводили в соответствии с ГОСТом 310.1-76, 310.2-76, 310.376, 310.4-76. Основные характеристики ис -пользуемых в работе материалов представлены в табл. 1, 2, 3.
Для получения серосодержащих вяжущих помол пиритного огарка и серы производили отдельно. Подготовленные компоненты пиритного огарка на серы взвешивали в соотношениях 200:100, 250:100, 250:150 и загружали в мельницу, размалывали до тонкости, характеризующейся 8-10% остатка на сите № 008 и пере_мешивали в лабораторной мельнице в течение 20 мин. При этом количество добавок равнялось 25, 30 и 35% от массы вяжущего. Помол цементного клинкера и последующее введение смешанных добавок обеспечивали тонкое измельчение частиц цемента и его равно_мерное распределение среди составляющих серосодержащих смесей.
Оптимальная дозировка активных минеральных добавок состав_ляет 25-35% по массе вяжущего (табл. 1). С увеличе_нием дозировки добавок активность портландцемента снижается. Цементный камень
Таблица 1. Физико - механические свойства Чимкентского цементного завода [6]
Нормальная густота теста Начало схватывания Конец схватывания Предел прочности при сжатии, Мпа Предел прочности при изгибе, Мпа Расплыв конуса, мм
25,2, % 2ч - 39 мин 4ч - 29 мин 42,7 5,7 110
fl
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 5 (8)
Таблица 2. Химический состав цемента и пиритного огарка, % масс [6]
СаО SiOz Fе2Оз AI2O3 MgO SO3 R2О П.п.п I
61,48 23,38 6,09 6,38 1,09 0,60 0,38 0,52 99,92
10,5 1 19,7 66,1 2,3 1,2 - - - 99,80
Таблица 3. Свойства вяжущего улучшенной методом механохимической активации [6]
№ п/п Состав серосодержащего вяжущего различного состава, %, по массе (цемент: пирит:сера) Расход серосодержащей добавки,% от массы вяжущего Нормальная густота теста,% Предел прочности при сжатии, МПа
После пропарки После твердения в естественных условиях, суток
3 7 14 28 90
1 без добавки - 27 40 22 35 46 52 54
2 74 :18 : 8 26 25 41 29 40 50 56 58
3 70 : 18:12 30 24,8 42 34 45 56 63 64
4 67 : 20:13 33 25,2 43 40 53 64 67 69
без добавки характеризуется, как правило, более плавным нарастанием прочности.
При оптимальной дозировке смешанных добавок прочность цементного камня интенсивно возрастает, особенно в начальные сроки твердения. В дальнейшем также наблюдается повышение прочности цементного камня, хотя и в меньшей степени (рис. 1). На начальной стадии твердения портландцемента с активными минеральными добавками упрочнение структуры происходит вслед_ствие гидрата -ции и гидролиза клинкерных минералов.
Гидролиз протекает с разрушением стеклофазы Б1 - О и Ре - О, в результате чего образуются гелевидные новообразования кремневой кислоты и гидроксидов железа. Последние могут образовываться также за счет взаимодействия Ре2Оз и Рез04, находящихся в составе шлама с водой. Из таблицы (3) видно, что увеличение активированных добавок в составе вяжущего не снижает прочности в раннем возрасте и со временем прочность серосодержащих вяжущих повышается.
7 14- 28 90
Время твердения, сут Рис. 1. Повышение прочности серосодержащего вяжущего с различными добавками во времени [6]
♦ - состав серосоджащего вяжущего 33% - ным добавком; ■ - состав серосоджащего вяжущего 30% - ным добавком; ▲ - состав серосоджащего вяжущего 26% - ным добавком; х - состав серосоджащего вяжущего без добавок
Архитектура и строительство
|1
Нами установлены, что самым оптимальным составом активированных вяжущих является 67:20:13% (цемент: пирит: сера). Выше приведенные доводы свидетельствует в пользу связывания серы с оксидами железа при механическом воздействий при температурах близких к нормальной. Гелевидные новообразования железистых соединений обладают высокой удельной поверхностью и повышенной склеивающей способностью что придает цементному камню высокую механическую прочность.
Полученных данные позволяет сделать вывод, что применение добавок полученных путем механохимической активации серосодержащего вяжущего не оказывает существенного отрицательного влияния на прочность образцов и можно применить в производстве легких бетонов.
Библиографический список
1. Полимерсерные бетоны / Ю.И. Орловский // Применение серы и серосодержащих отходов в строительной индустрии. - 1990.-С. 3-5.
2. Сера и перспективы применения серного бетона / В.В. Патуроев, А.П. Волгушев, Ю.И. Орловский // Бетон и железобетон. - 1985. - №5. -С. 16-17.
3. Исакулов Б.Р. Использование отходов нефтегазовой промышленности в производстве строительных материалов // Материалы Международной научно-практической конференции Оренбургского государственного университета. - Оренбург, 2010. - С. 120-123.
4. Жив. А.С., Исакулов Б.Р. Исследование свойств арболита на основе серосодержащих вяжущих // Материалы VIII Международной научно-практической конференции «Найновите научни постижения - 2012» - София, 2012. -Том 31 «Здание и архитектура», С. 92-97.
5. Новый вид химической продукции - полимерная сера. / В.А. Бороховский, А.И. Салюк [и др.] - М.: Изд-во НИИТЭХИМ, 1982. - 40 с.
6. Исследование свойств вяжущих на основе отходов нефтегазовой промышленности Казахстана / М.В. Акулова, Б.Р. Исакулов [и др.]. 11К1_: http://www.rusnauka.com/10_DN_2013/ Б^оН:е^о/4_131962.Сос.|-^т.
Поступила в редакцию 28.08.2020 г.
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 5 (8)
OBTAINING AND STUDYING PROPERTIES BINDING ON THE BASIS OF WASTES FROM THE OIL AND GAS INDUSTRY
© 2020 B.R. Isakulov, M.V. Akulova, B.B. Kulsharov, A.M. Sartova, A.B. Isakulov*
In work basics of new waste-free technologies of neutralization and complex use of waste of oil and gas branch of the republic of Kazakhstan in the form of construction materials are covered. It will allow to solve an ecological and economic problem in production of construction materials of the republic.
Keywords: sulfur waste, the utilization, knitting, an additive, durability.
* Isakulov Baizak Razakovich (mr.Baizak@mail.ru) - Doctor of Sciences, Professor, Baishev University Aqtobe (Kazakhstan); Akulova Marina Vladimirovna (m_akulova@mail.ru) - Doctor of Sciences, Professor, Advisor of the Russian Academy of Architectural and Construction Sciences, Ivanovo State Politechnical University (Russia, Ivanovo); Kulsharov Berik B. (berikbai_79@mail.ru) - postgraduate, Ivanovo State Politechnical University (Russia, Ivanovo); Asima M. Sartova (akkete86@mail.ru) - postgraduate, Ivanovo State Polytechnic University, Russia; Abilkhair B. Isakulov (abulik92@mail.ru) - Lecturer, Department of "Construction", Aktobe Regional State University named after K. Zhubanova (Kazakhstan).
Received for publication on 28.08.2020
