CC BY
48
НАУКОВ1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ
УДК 666.96; 691.54
ПЕРЕВАГИ ЗАСТОСУВАННЯ ЦЕОЛ1ТОВИХ ТУФ1В СОКИРНИЦЬКОГО РОДОВИЩА У ВИРОБНИЦТВ1 СУЧАСНИХ ТАМПОНАЖНИХ МАТЕР1АЛ1В
Х. С. Соболь, д. т. н., проф., Н. I. Петровська, к. т. н., доц., В. С. Терлига, к. т. н.,асист., *М. Б. Ковальчук., асп.
Нащональний университет «Льв1вська полтехтка», м. Льв1в *1вано-Франювський нац^ональний техмчний университет нафти 7 газу
Ключовi слова: цеолтов1 туфи, родовище, сух1 буд^вельш сум1ш1, тампонажн матер1али, ф!зико-х1М1чш досл1дження
Постановка проблеми. Природш цеол^и - це ефективш матерiали з ушкальною кристалiчною будовою та юнообмшними властивостями. Вони устшно застосовуються у багатьох галузях промисловосп, сшьському господарсга, а також захистi навколишнього середовища [1; 2].
Специфiчнiсть властивостей цеол^ових туфiв зумовлена будовою тривимiрного алюмосилшатного каркаса !х кристатчно! гратки i наявнiстю в кристалах розвинуто! системи мшропорожнин та каналiв, у яких утримуються обмiннi катiони i вода.
Зараз у бшьше нiж 40 кра1нах свiту розробляеться понад 1 000 родовищ природних цеолiтiв вулкашчно-осадового походження, що являе собою приблизно 3 млн т на рш, бшьша частина з яких припадае на Китай. Одним iз найбшьших у Gвропi е Сокирницьке родовище цеолтв у Закарпатськiй областi, розвщане в 1970 р. Завдяки потужним покладам та можливостi добування вщкритим способом, а також зручному транспортуванню, це родовище мае великi перспективи.
Аналiз останнiх дослiджень i публiкацiй. Природш цеол^и у Закарпатськш областi характеризуются унiкальними сорбцiйними, iонообмiннми та катал^ичними властивостями [3]. Порiвняно з матерiалами-аналогами, вони вiдрiзняються пiдвищеною термо- та кислотостшюстю i пiдвищеним об'емом сорбцшного простору.
Проведенi дослiдження показали ефектившсть використання природних цеолiтiв як мшеральш добавки у тампонажних матерiалах. 1х висока пористiсть дозволяе отримати полегшеш тампонажнi матерiали з пониженою густиною, що застосовуються при цементуваннi нафтових i газових свердловин з аномально низьким пластовим тиском. Висока актившсть 8Ю2 А1203, що входять до складу цеол^ових туфiв, дае змогу характеризувати !х як додатковi цементувальш матерiали [4].
Мета роботи: дослщження можливостi застосування цеолiтових туфiв у виробництвi сучасних будiвельних матерiалiв.
Методи дослiджень i матерiали. Фiзико-хiмiчнi дослiдження проводили iз застосуванням рентгенофазового та диференцiально-термiчного методiв аналiзу. Як наповнювачi використано природний цеолiт i метакаолiн.
Цеолiт та його основний мшерал клiноптилолiт Ка6[(А102)6-(8Ю2)30]-24Н20 належать до водних алюмосилша^в каркасно! будови. Завдяки характернш будовi порового простору цеол^ може поглинати i вiддавати воду без змши об'ему, по суп являючи собою жорстку кристатчну «губку», об'ем пор яко! може досягати 50 %. Завдяки цьому при введенш цеол^у до складу тампонажних розчишв вiн не тiльки вщграе роль активно! мшерально! добавки пуцолашчно! ди, а й одночасно виступае ефективним полегшувачем [5].
Метакаолiн - це аморфiзований силiкат алюмiнiю А1203 8Ю2, який утворюеться в результатi термообробки природного каолшу за контрольованих параметрiв, що забезпечуе одержання матерiалу, стабшьного за складом та властивостями. Серед мшеральних добавок метакаолiн вiдрiзняеться найвищим вмiстом високоактивних оксидiв алюмiнiю та кремшю. Маючи надзвичайно високу питому поверхню 1 500 м2/кг та низьку насипну густину 360 кг/м3, метакаолш з успiхом може бути використаний як полегшувач у тампонажних сумшах.
Результати дослщжень. Основним цеол^овим мшералом у цеол^ових породах Закарпаття е клiноптилолiт, кристалiзацiя якого вiдбуваeться на поверхнi вулкашчного скла. Глиниста порода представлена пдрослюдою i монтморилонiтом, крiм цього вони мютять кварц, польовi шпати, карбонати тощо. Клiноптилолiтовi породи Сокирницького родовища подiляються на три сорти: А - середнш шар мiстить до 90 % клшоптилол^у, представлений цеол^овими туфами, Б - верхнiй шар мютить 61 % клiноптилолiту i мае значнi домiшки монтморилонiту, В - нижнш шар мiстить 63 % клшоптилол^у, збагачений кварцом i плагюклазом. Х1м1чний склад даних сортов показано на рисунку 1.
Рис. 1. Х1м1чний склад клтоптилолШових цеолтових пор\д
На дифрактограмi дослщженого зразка Сокирницького цеолiтового туфу спостертаються основнi лшн клiноптилолiту та кварцу (рис. 2). Також установлено присутшсть незначно! кiлькостi кальцiево-натрiевого алюмосилiкату гейландиту та монтморилонiту i польових шпапв.
Рис. 2. Дифрактограма природного цеолиту Сокирницького родовища
Дифференцiально-термiчний аналiз бшьш детально характеризуе мiнеральний склад зразка (рис. 3). На першш стадп термолiзу зразка вiдбуваеться втрата маси в температурному штерват 20 - 200°С. Вона пов'язана з видшенням вшьно! фiзично адсорбовано! води. Друга ставдя термолiзу зразка перебiгае в температурному штерват 200 - 440°С. 1й вiдповiдае видiлення «структуровано!» води, яка координацшно i хiмiчно зв'язана з кристатчною граткою мiнералу
й утворюе аквакомплекси з катiонами металiв, якi входять у структуру цеолггу.
В областi температур 440 - 580°С на кривш ДТА зразка спостерiгаeться неглибокий ендотермiчний ефект, який вiдповiдаe процесу депдроксилювання поверхнi за рахунок вiдщеплення ОН-груп. Йому вщповщае незначна втрата маси на кривш ТГ.
У високотемпературнш област 580 - 1 000°С на кривiй ДТА появу ендотермiчного ефекту можна пояснити сукупнiстю декшькох процесiв: бiльш глибокого дегiдроксилювання поверхш, руйнування й амортизацн кристашчно! структури цеолiту за дн високих температур.
О I-
100
98
96
94
92
90
88
86
О
О <
I-
о
с:
Е
о"
г 0
--2
--6
--8
-0.0
- -0.2
- -0.4
- -0.6
- -0.8
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
ТетрегаШге, С
Рис. 3. Дериватограма природного цеол1ту Сокирницького родовища
За проведеним анатзом можна зробити висновок про доцшьшсть застосування цеол^ових туфiв у таких бущвельних галузях:
• безцементш вапняно-цeолiтовi вяжучц
• мшеральш пуцоланiчнi добавки для портландцементу;
• органоцеолiтовi добавки для зниження проникност та пiдвищення довговiчностi споруд;
• багатокомпонентш цементи;
• будiвельнi розчини i бетони;
• компоненти для концентрування слiдових кiлькостей важких металiв i хлорвуглеводнiв у будiвельних розчинах i бетонах;
• екобудiвельнi матерiали з пониженою густиною, пiдвищеною корозiйною стшюстю;
• використання цеолiтових порiд для виробництва пористих заповнювачiв для бетону та стшових матерiалiв;
• сухi будiвельнi сумiшi (штукатурнi, клейовi, кладково!, для пiдлог, теплоiзоляцiйнi, тампонажнi).
Для тдтвердження доцiльностi використання цеолiтових туфiв як компонента полегшених тампонажних цеменпв було розроблено декiлька складiв таких матерiалiв. Одним iз критернв у виборi тампонажного розчину для окремо взято! свердловини е будiвельно-технiчнi властивосп розчиново! сумiшi. Враховуючи високе водо-цементне вщношення сумiшi, тобто велику кшьюсть води, яка необхiдна для досягнення задано! густини, пiдвищену увагу у сучасних тампонажних матерiалах слiд придшяти вибору мiнеральних добавок. Необхiдно звертати увагу на !х властивостi, таю як розмiр та форма частинок, водопоглинання, актившсть взаемодi! з портландцементом та ш. Установлено, що при введенш !х у кiлькостi 30 % досягаеться задана густина розчиново! сум^ (1,45 - 1,65 г/см3), зпдно з вимогами ДСТУ Б В.2.7-88-99.
0
Та блиця
Склади полегшених тампонажних цемент!в
Вмют, % Компонент Склад
1 2 3 4 5 6
ПЦ-I 70 70 70 70 70 70
Метакаолш 10 10 10 10 10 20
Цеол^ - - - 20 10 -
Мшросфера - - 20 - 10 10
Шамотний пил - 20 - - - -
Зола-винесення 20 - - - - -
На властивосп розчину у свердловиш впливае низка факторiв - температура, пластовий тиск, агресивш пластовi води. Тому для забезпечення довговiчного термiну експлуатаци свердловини, а також з урахуванням того факту, що простiй обладнання та персоналу протягом одше! доби складае десятки тисяч гривень, тампонажний розчин повинен мати необхщну мщшсть, як у ранш. так i шзш термiни тверднення. Найбiльша мiцнiсть за температури 75°С спостерiгаеться у разi введення до складу сумiшi цеол^у в кiлькостi 20 % i становить 4,4 МПа. Таку високу мщшсть розчину можна пояснити взаемодiею 8Ю2 та Л120з, що входять до складу цеол^у та метакаолшу, з Са(0Н)2, який видiляеться тд час пдратаци алiту, з утворенням нових гiдратних фаз. Даний процес пришвидшуеться завдяки пiдвищеним температурам тверднення портланд це ме нту.
Рис. 4. Вплив полегшувальних добавок на мщтсть тампонажного розчину на розтяг при вигит через 2 доби тверднення за температури 75°С
Висновки. Проведеш дослщження показали доцшьшсть застосування цеол^ових туфiв Сокирницького родовища як компонента сучасних будiвельних матерiалiв. Фiзико-хiмiчнi дослiдження довели присутнiсть у хiмiчному складi сполук, що активно взаемоддать з портландцементними мiнералами пiд час твердшня цементу. Лабораторнi дослiдження шдтверджують ефективнiсть використання цеолiту як компонента у полегшених тампонажних матерiалах.
ВИКОРИСТАНА Л1ТЕРАТУРА
1. Рабо Дж. Химия цеолитов и катализ на цеолитах. - М. : Мир, 1980. - Т. 2. - 515 с.
2. Староста В. I. Деяю фiзико-механiчнi властивосп природних цеолтв Закарпаття / В. I. Староста, Ю. В. Ворошилов, Б. М. Сршов, Д. I. Мельник // Наук. вюн. Ужгород. ун-ту, серiя «Хiмiя». - 1997. - Вип. 2. - С. 120.
3. Овчаренко Ф. Д. Физико-химические исследования природного цеолита -клиноптилолита / Ф. Д. Овчаренко, Н. В. Обретенов, Н. Е. Щербатюк и др. // Укр. хим. журн. -1976. - № 5. - С. 483 - 487.
4. V. Terlyha. Tamping mortars with stabilizing and plasticizing admixtures / V. Terlyha,
Kh. Sobol // XIII International scientific conference «Current issues of civil and environmental engineering in Kosice, Lviv and Rzeszow». - 7 - 9 September, 2011 - Kosice - ISBN: 978-80-5530721-3
5. Терлига В. С. Дослщження полшомпонентних модифшованих тампонажних розчишв з пониженою густиною / В. С. Терлига, Х. С. Соболь, Ю. Л. Новицький // Наук.-техн. зб. «Бущвельш матерiали, вироби та саштарна технiка». - 2012. - Вип. 4. - С. 170 - 174.
«Досл1дження виконане за фтансовог тдтримки Свропейського Союзу, в рамках Програми Транскордонного Ствробтництва Польща - Бшорусь - Украгна 2007 - 2013. В1дпов1дальтсть за зм1ст даног публ1кацИ несе виключно Нащональний утверситет «Льв1вська полтехтка» i вт не вiдображаe позицИ Свропейського Союзу».
SUMMARY
Natural zeolites are effective materials with an unique crystalline structure and ionexchange properties. They are successfully used in many industries of industry, agriculture, and also defence of environment.
Specificity of properties of zeolite tuffs is predefined a structure three-dimensional alyumosilikatnogo framework them crystalline grate and by a presence in the crystals of the developed system of microcavities and ductings.
Over 1000 deposits of natural zeolites are presently developed volcanically osadovogo origin. One of most in Europe there is Sokirnicke deposit of zeolites in the Zakarpattya area.
Natural zeolites in the Zakarpattya area are characterized uniquesorption, ionexchange and by catalytic properties. By comparison to analogues, they differ an enhanceable heat-resistance and acidoresistance and enhanceable volume of sorption space.
The conducted researches rotined efficiency of the use of natural zeolites in quality of mineral additions in plugging materials. Them high porosity is used at cementation of oil and gas mining holes with anomalous plastovim LP. High activity of SiO2 Al2O3 enables to characterize them as additional cementitious materials.
A research purpose is consideration of possibilities of application of zeolite tuffs at the production of modern build materials Physical and chemical researches conducted from the use of rentgenofazovogo and differentially thermal methods of analysis.
A basic zeolite mineral in the zeolite breeds of Zakarpattya is klinoptilolit, crystallization of which takes place on-the-spot volcanic glass. A clay breed is presented a hydromica and montmorilonitom, except for it they contain a quartz, feldspars, carbonates, et cetera.
The conducted researches rotined expedience of application of zeolite tuffs of Sokirnickogo of deposit as to the component of modern build materials. Physical and chemical researches led to being in chemical composition of connections which actively co-operate with portlandcementnimi minerals during hardening of cement. Laboratory researches confirm efficiency of the use of zeolite as a component in the facilitated tamponazhnikh materials.
REFERENCES
1. Rabo Dzh. Himija ceolitov i kataliz na ceolitah. - M. : Mir, 1980. - T. 2. - 515 s.
2. Starosta V. I. Dejaki fizyko-mehanichni vlastyvosti pryrodnyh ceolitiv Zakarpattja / V. I. Starosta, Ju. V. Voroshylov, B. M. Jershov, D. I. Mel'nyk // Nauk. visn. Uzhgorod. un-tu, serija «Himija». - 1997. - Vyp. 2. - S. 120.
3. Ovcharenko F. D. Fiziko-himicheskie issledovanija prirodnogo ceolita - klinoptilolita / F. D. Ovcharenko, N. V. Obretenov, N. E. Shherbatjuk i dr. // Ukr. him. zhurn. - 1976. - № 5. -S. 483 - 487.
4. V. Terlyha. Tamping mortars with stabilizing and plasticizing admixtures / V. Terlyha, Kh. Sobol // XIII International scientific conference «Current issues of civil and environmental engineering in Kosice, Lviv and Rzeszow». - 7 - 9 September, 2011 - Kosice - ISBN: 978-80-5530721-3
5. Terlyga V. S. Doslidzhennja polikomponentnyh modyfikovanyh tamponazhnyh rozchyniv z ponyzhenoju gustynoju / V. S. Terlyga, H. S. Sobol', Ju. L. Novyc'kyj // Nauk.-tehn. zb. «Budivel'ni materialy, vyroby ta sanitarna tehnika». - 2012. - Vyp. 4. - S. 170 - 174.
BidoMocmi про amopie:
Соболь Христина Степатвна, д. т. н., професор кафедри автомобыьних шлях1в Нащонального университету «Льв1вська полтехтка», e-mail: sobol@ukr.net.
Петровська Над1я 1ватвна, к. т. н., доцент кафедри автомобыьних шлях1в 1нституту буд1вництва та тженерп довкыля, Нащонального университету «Льв1вська полтехтка», nadina.pet@gmail. com.
Терлига Володимир СергШович, асистент кафедри автомобыьних шлях1в Нащонального университету «Льв1вська полтехтка».
Ковальчук Мар'яна Богдатвна, аспирантка кафедри буртня нафтогазових свердловин 1вано-Франювського нащонального техтчтчногуниверситету нафти i газу.
УДК 69.003:658.5
ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ПРОЕКТИРОВАНИИ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ ВЫСОТНЫХ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ
Е. И. Заяц, к. т. н., доц.
Ключевые слова: высотный многофункциональный комплекс, высотное строительство, проектирование
Постановка проблемы. Современные крупные города с развитой инженерной инфраструктурой представляют собой, с одной стороны, научные, образовательные и культурные центры, с другой стороны - источники социальной напряженности.
В настоящее время в мегаполисах значительными темпами осуществляется проектирование и строительство высотных зданий. Причем данные тенденции развития городской среды наблюдаются в разных странах и на разных континентах.
Анализ публикаций. Сегодня наблюдается тенденция увеличения количества городов и уменьшения количества сельских населенных пунктов в Украине [5; 6]. Соответственно большая часть населения Украины живет в городах, где расходуется значительная часть добываемых ресурсов. В связи с этим преобразование современных городов должно осуществляться в направлении применения энергосберегающих, экологически дружественных технологий для поддержания их жизнедеятельности [3; 4; 7 - 10].
Целью статьи является выявление основных тенденций в проектировании и строительстве высотных многофункциональных комплексов в крупных городах.
Изложение материала. Проектирование и строительство высотных многофункциональных комплексов осуществляется в странах Европы, Азии, Северной и Южной Америки, а также в Австралии.
Компания Office of Design & Architecture (ODA) разрабатывает проект крупнейшего за последние 30 лет доступного жилья в Нью-Йорке - строительство высотного многофункционального комплекса Hunters Point South, расположенного на набережной района Лонг-Айленд Сити (рис. 1).
Рис. 1. Высотный многофункциональный комплекс Hunters Point South в Нью-Йорке
