CC BY
49
Vestnik of Tuvan State University
Issue 3. Technical sciences, physical and mathematical sciences, № 4 (54), 2019 УДК 691
doi 10.24411/2077-6896-2019-10021
ПОЛУЧЕНИЕ МАГНЕЗИАЛЬНО-ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Очур-оол А.П.1, Манзырыкчы Х.Б.2 1Тувинский государственный университет, г. Кызыл 2Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов СО РАН, г. Кызыл
PREPARATION OF MAGNESIA BINDERS FOR COMPOSITE MATERIALS
A.P. Ochur-ool1, Kh.B. Manzyrykchy2 1Tuvan State University, Kyzyl 2Tuvan Institute of integrated development of natural resources SB RAS, Kyzyl
В данной статье рассматривается комплексная переработка серпентинитовых отходов, которая позволяет получить, помимо основного продукта диоксида кремния, другие попутные продукты, такие как оксид магния, гипс, железо-хромовый концентрат, силикат натрия, соли хлорида натрия. Проведенным исследованием установлено, что из отходов извлечения оксида кремния из серпентинита получают магнезиально вяжущие вещества. Магнезиальные вяжущие вещества являются активным компонентом строительных и композиционных материалов. Определение свойств полученного вяжущего проводилось согласно стандартным методикам. Для этого изготовлены образцы-палочки размерами 60х40х40 мм. Физико-химические свойства образцов проводилось через 3, 7 и 28 суток. Спектральным анализом определен элементарный состав исходного магний содержащего продукта, так же определялись оптимальные технологические параметры - температура обжига, время изотермической выдержки и продолжительность измельчения. Ключевые слова: вяжущие; силикат; прочность; серпентинит; Ак-Довуракское месторождение; магнезиальные вяжущие; серпентинитовый цемент; гипсовые вяжущие; ме-ханохимическая активация
This article discusses the complex processing of serpentinite waste, which allows to obtain, in addition to the main product of silicon dioxide, other associated products, such as magnesium oxide, gypsum, iron-chromium concentrate, sodium silicate, sodium chloride salt. The study found that magnesia binders are obtained from the waste extraction of silicon oxide from serpentinite. Magnesia binders are an active component of building and composite materials. Determination of the properties of the resulting binder was carried out according to standard methods. For this purpose, samples-sticks with dimensions of 60x40x40 mm were made. Physical and chemical properties of the samples were carried out after 3, 7 and 28 days. Spectral analysis determined the elementary composition of the initial magnesium-containing product, as well as determined the optimal technological parameters such as the firing temperature, the
time of isothermal exposure and the duration of grinding.
Keywords: binders; silicate; strength; serpentinite; Ak-Dovurak Deposit; magnesia binders; serpentinite cement; gypsum binders; mechanochemical activation
Сегодня проблеме утилизации отходов горнопромышленного производства уделяется особое внимание, так какиспользо-вание техногенных минеральных ресурсов является не только одних из резервов обеспечения горнодобывающей промышленности минеральным сырьем, но и важной составной частью рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.
Разработка и внедрение в горнодобывающую и перерабатывающую промыш-ленностьновых технологических решений, обеспечивающих выпуск качественных конечных продуктов, приобретает актуальность и востребованность в современных условиях.
Комплексная переработка серпентини-товых отходов позволяет получить, помимо основного продукта диоксида кремния, другие попутные продукты, такие как оксид магния, гипс,железо-хромового концентрата, силиката натрия, соли хлорида натрия. Вопрос о возведении полученных продук-товв различные отрасли промышленности с дальнейшим внедрением в производство приобретает особую актуальность. Поэтому были проведены исследованияпо полу-чениюмагнезиальных вяжущих из оксида магния полученного в результате комплексной переработки серпентинитов отходов. Магнезиальные вяжущие вещества являются активным компонентом строительных и композиционных материалов, магнезиальных растворов, штукатурныхсмесей,
ксилолитовых масс, пеномагнезита, декоративных облицовочных плит и др.
Получение оксида магния из магнийсо-держащего сырья включает обработку последнего 20-процентной серной кислотой, очистку полученного раствора сульфата магния от примесей металлов осаждением их щелочью, при этом щелочь добавляют пока pH раствора не станет более 10. Отделение образующего осадка гидромагнезита осаждением из фильтрата с последующим термическим разложением его до оксида магния.
Осаждение проводится раствором соды при перемешивании и подогреве до 60-80°С. Осадок получается хорошо фильтруемым, достаточно эффективно промывался на фильтре. После сушки осадок прокаливали при 800°С, с получением оксида магния (MgO).
Определение свойств полученного вяжущего проводилось согласно стандартным методикам [1]. Для этого изготовлены образцы-палочки размерами 60х40х40 мм. Определение физико-химических свойств образцов проводилось через 3, 7 и 28 суток [1, 2, 3].
В центре коллективного пользования ТПУ (Томск) спектральным анализом определен элементарный состав исходного магний содержащего продукта (см. таблица 1), где содержание MgO достигает 97%, что свидетельствует о высокой степени чистоты полученных материалов [1, 2, 3].
Таблица 1. Элементный состав магнезиального вяжущего
Элемент Содерж. масс, % Элемент Содерж. масс, %
Mg 55.7638 C 0.0365
O 41.4614 Cl 0.0175
Ca 1.4189 Fe 0.0161
S 0.6721 Al 0.0148
F 0.3364 P 0.0088
Na 0.1333 Cr 0.0054
Mn 0.0531 Ni 0.0042
Si 0.0488 Sr 0.0030
Учитывая, что получение магнезиального вяжущего вещества зависит от технологических факторов то на первом этапе работы определялись оптимальные технологические параметры - температура обжига, время изотермической выдержки, продолжительность измельчения.
Для определения оптимальной температуры обжига, исходный продукт подвергал-
ся обработке при 700, 800 и 900 °С (см. таблица 2). В качестве основного параметра, определяющего оптимальную температуру обжига принята прочность образцов из обожженного материала. При этом тонкое измельчение проводилось в шаровой мельнице в течение 2 часов до удельной поверхности 4000 г/см2.
Таблица 2.Оптимальная температура обжига на прочность образцов
Т, обжига, °С Прочность образцов (МПа) че] рез
3 суток 7 суток 28 суток
700 6,1 7,4 8,2
800 15,5 16,7 17,9
900 15,7 16,5 17,8
Установлено, что оптимальной температурой обжига для получения магнезиального вяжущего на основе отходов переработки серпентинита является 800°С, так как именно после термообработки при этой температуре получен максимальный выход MgO и высокая прочность образцов при сжатии. Дальнейшее повышение температуры обжига до 900 °С существенно не повышает прочности образцов.
Дифференциально-термический анализ исходного магнийсодержащего показал, что реакции дегидратации Mg(OH), и разложения карбонатов магния заканчиваются при температуре 800-820 °С, что подтвер-
дило оптимальную температуру обжига.
Наряду с рабочей температурой обжига, определена оптимальная продолжительность изотермической выдержки. Обжигаемый материал в печи выдерживался в течение 0,5; 1,0 и 1,5 часа (табл. 3), чтобы определить оптимальную продолжительность выдержки для образования максимального количества MgO и приобретения образцами наиболее высокой прочности. Установлено, оптимальнаяпродолжитель-ность изотермической выдержки при максимальной температуре обжига равна 1,0 ч. Увеличение времени выдержки суще-ственноне влияет на прочность получаемо-
го материала. Рентгенофазовый анализ ма- скостных расстояниях кристаллов 0.21 мм.
териала с различной продолжительностью Увеличение продолжительности изотерми-
изотермической выдержи показал, что ческой выдержки до 1,5 ч. не способствует
именно пробы с часовой выдержкой имеют существенному повышению активности
интенсивность пиков 100 %, при межпло- MgO.
Таблица 3. Влияние продолжительности изотермической выдержки на прочность
образцов
Время изотермической Прочность при сжатии (МПа) через
выдержки, ч 3 суток 7 суток 28 суток
0,5 12,7 13,6 14,5
1 15,6 16,7 17,8
1,5 15,8 16,9 17,7
В рамках определения технологических параметров получения вяжущего выявлена оптимальная продолжительность измельчения, что прямовлияет на тонкость помола вяжущего. Измельчение материала проводилось в шаровой мельнице втечение 2,5; 3 и 3,5 часа (табл. 4). Анализ полученных
Полученное порошкообразное вещество имеет объемную массу 820-840 кг/ м3. Количество воды затворения составляет 40-42%. Вяжущее затворяли водным раствором хлорида магния. Это ускоряет твердение и значительно повышает прочность изделий. Установлено, что в связи с введением MgCl2, который обеспечивает высокую растворимость MgO, наблюдается интенсивное протекание гидратации магнезиального вяжущего. В результате прочность образцов при сжатии через 3
данных свидетельствует, что механическая активация вяжущегопутем измельчения следует вести в течение 3-3,5часа, после чего наблюдаетсязначительноеувеличение удельной поверхности порошкового материала и аморфизации части кристаллической составляющей вяжущего.
суток увеличивается с 15,8 до 19,4 МПа, а через 28 суток - до 24,7 МПа.
По сравнению с портландцементом, магнезиальное вяжущее на основе отходов извлечения SiO2 из серпентинита отличается низкий гидратационной активностью (15-24 МПа), которая определяется дефектностью, дисперсностью и морфологией элементарных частиц оксида магния, что является следствием кристаллохимической природы исходного сырья и способа его переработки.
Таблица 4. Влияние продолжительности изотермической выдержки на прочность
образцов
Время измельчения, ч Удельн. поверхность, г/см2 Прочность при сжатии (МПа) через
3 суток 7 суток 28 суток
2,5 2200 13,2 14,3 15,8
3,0 3000 15,8 16,9 18,1
3,5 3400 16,2 17,3 18,3
Проведенным исследованием установлено, что из отходов извлечения оксида кремния из серпентинита путем выщелачивания, после термическойактивации при 800 °С и последующем измельчении полу-
чается самостоятельное магнезиальное вяжущее прочностью 15-24 МПа, что может послужить активным компонентом композиционных материалов.
Библиографический список
1. Зырянова В. Н. Водостойкие композиционные магнезиальные вяжущие вещества на основе природного и техногенного сырья : специальность 05.17.11 «Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов» ; автореферат диссертации на соискание степени доктора технических наук / Зырянова Валентина Николаевна ; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. - Томск : ТПУ, 2010. 44 с. - Текст : непосредственный.
2. Зырянова В. Н. Я. Физико-химические основы получения композиционных магнезиальных вяжущих материалов с использованием магний силикатных наполнителей / В. Н. Зырянова, Е. О. Еремкина, А. Я. Емельянова. - Текст : непосредственный // Инновационные факторы развития транспорта. Теория и практика : сборник материалов международной научно-практической конференции: в 3 частях. - 2018. - С. 243-248.
3. Зырянова В.Н. Использование техногенного сырья Тывы для производства строительных материалов / В. Н. Зырянова, А. П. Очур-оол. - Текст : непосредственный // Проектирование и строительство : сборник научных трудов 3-й Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов,
магистров и бакалавров / Юго-Западный государственный университет, Московский государственный машиностроительный университет. - Курск, 2019. - С. 191-193.
References
1. Zyryanova V. N. Vodostoikiye kompozitsionnye magnezial'nye vyazhushchie veshchestva na osnove prirodnogo i tekhnogennogo syr'ya: avtoreferat dissertatsii na soiskaniye stepeni doktora tekhnicheskikh nauk [Waterproof magnesia composite binders on the base of natural technogenic raw materials: diss. doct.tech.sci.]. National Research Tomsk Polytechnical University. Tomsk, TPU Publ., 2010. 44 p. (in Russian)
2. Zyryanova V. N., Yeremkina E.O., Yemelyanova A.Ya. Fiziko-khimicheskiye osnovy polucheniya kompozitsionnykh magnezial'nykh vyazhushchikh materialov s ispol'zovaniem magniy silikatnykh napolnitelei [Physical and chemical bases of composite magnesia binders with magnesium silicate fillers]. Innovatsionnye faktory razvitiya transporta. Teoriya i praktika : sbornik materialov mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii: v 3 chastyakh [Innovative factors in the development of transport. Theory and practice: a collection of materials of an international scientific-
practical conference: in 3 parts]. 2018. P. 243-248. (in Russian) 3. Zyryanova V.N., Ochur-ool A.P. Ispol'zovaniye tekhnogennogo syr'ya Tuvy dlya proizvodstva stroitel'nykh materialov. PROEKTIROVANIE I STROITEL'STVO : sbornik nauchnykh trudov 3-y Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii molodykh uchenykh, aspirantov, magistrov i bakalavrov [The use
of man-made raw materials of Tuva for the production of building materials. DESIGN AND CONSTRUCTION: collection of scientific papers of the 3rd International scientific-practical conference of young scientists, graduate students, masters and bachelors]. Southwestern State University, Moscow State Engineering University. Kursk, 2019. P. 191-193. (in Russian)
Очур-оол Аржана Петровна, старший преподаватель кафедры общеинженерных дисциплин Тувинского государственного университета, Кызыл, E-mail: [email protected] Манзырыкчы Херелмаа Борисовна, заведующий сектором физико-химических исследований Тувинского института комплексного освоения природных ресурсов СО РАН, г. Кызыл, E-mail: [email protected]
Arzhana P. Ochur-ool, Senior Lecturer at the Department of General Engineering, Tuvan State University, Kyzyl, E-mail: [email protected]
Kh.B. Manzyrykchy, head of the sector of physical and chemical research of Tuva Institute of integrated development of natural resources SB RAS, Kyzyl, E-mail: [email protected]
Дата поступления статьи в редакцию 30.10.2019
