ПРИМЕНЕНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ШЛАМОВ И КАРБОНАТНЫХ ПОРОД В ПРОИЗВОДСТВЕ ЦЕМЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Технические науки. Строительство и архитектура

Научная статья УДК 69

ГРНТИ: 67.09 Строительные материалы и изделия ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия doi:10.51608/26867818_2023_1_130

ПРИМЕНЕНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ШЛАМОВ И КАРБОНАТНЫХ ПОРОД В ПРОИЗВОДСТВЕ ЦЕМЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ*

ТАРАКАНОВ Олег Вячеславович

доктор технических наук, профессор, советник РААСН, декан факультета «Управление территориями» Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

(Россия, Пенза, e-mail: dground@pguas.ru)

БЕЛЯКОВА Елена Александровна

кандидат технических наук, доцент

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (Россия, Пенза)

МОСКВИН Роман Николаевич

кандидат технических наук, доцент

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (Россия, Пенза)

Аннотация. В настоящее время проблема использования вторичного сырья и утилизации отходов промышленности является одной из глобальных и осложняется тем, что количество используемого сырья и отходов в России составляет не более 20%. Строительная индустрия является одним из потенциальных потребителей минерального сырья и отходов промышленности. Значительный интерес, с точки зрения использования в технологии строительных и отделочных материалов, представляют минеральные шламы, образующиеся на предприятиях химической, машиностроительной, металлургической отраслей, а также отходы горнодобывающей промышленности.

С учетом огромного количества предприятий энергетики в России и глобальной экологической проблемы, связанной с утилизацией шламов, задача расширения области применения карбонатных шламов имеет большое экономическое и природоохранное значение.

Ключевые слова: строительные материалы; цементные материалы; минеральные шламы; строительное материаловедение; карбонатные породы

Для цитирования: Тараканов О.В., Белякова Е.А., Москвин Р.Н. Применение минеральных шламов и карбонатных пород в производстве цементных материалов // Эксперт: теория и практика. 2023. № 1 (20). С. 130-132. doi:10.51608/26867818_2023_1_130.

fl

© Авторы 2023 SPIN: 5316-5749 AuthorID: 448093

SPIN: 1106-9075 AuthorID: 665433

SPIN: 7836-8973 AuthorID: 388452

* Материалы данной статьи использовались в докладе на Научно-технической конференции «Расширение применения местных сырьевых материалов и отходов предприятий Республики Мордовия, при изготовлении строительных материалов и изделий» (18-19 ноября 2022 г., Саранск, МГУ им. Огарева).

ЭКСПЕРТ: ■ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 1 (20)

EXPERT: THEORY AND PRACTICE

Original article

APPLICATION OF MINERAL SLUDGE AND CARBONATE ROCKS IN THE PRODUCTION OF CEMENT MATERIALS

© The Author(s) 2023 TARAKANOV Oleg Vyacheslavovich

doctor of technical sciences, professor, Dean of the Faculty of Territory Management Penza State University of Architecture and Construction (Russia, Penza, e-mail: dground@pguas.ru)

BELYAKOVA Elena Alexandrovna

candidate of technical sciences, associate professor Penza State University of Architecture and Construction (Russia, Penza)

MOSKVIN Roman Nikolaevich

candidate of technical sciences, associate professor Penza State University of Architecture and Construction (Russia, Penza)

Annotation. The current problem of reuse and recycling of industrial waste is one of the global ones. The issue is complicated by the fact that the quantity of raw materials and waste used in Russia is no more than 20%. The construction industry is one of the potential consumers of mineral and industrial waste. Mineral sludge that is formed on chemical, engineering, metallurgical and mining enterprises is of great interest for use in building and finishing materials.

Considering the huge number of power plants in Russia and the global environmental problem associated with sludge disposal, the task of expanding the use of carbonate sludge represents the great economic and environmental importance.

Keywords: building materials; cement materials; mineral sludge; building materials science; carbonate rocks

For citation: Tarakanov O.V., Belyakova E.A., Moskvin R.N. Application of mineral sludge and carbonate rocks in the production of cement materials // Expert: theory and practice. 2023. № 1 (20). Pp. 130-132. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2023_1_130.

Преимуществом минеральных шламов перед другими отходами является то, что они практически не требуют дополнительной переработки, поскольку находятся в тонкодисперсном состоянии с высокой степенью влажности. Значительную долю отходов предприятий энергетики составляют шламы, образующиеся в процессе химической подготовки воды для котельных установок. На предприятиях средней мощности образуется, в среднем, 5-7 тыс. тонн шламовых отходов, которые накапливаются на площадках фильтрации и периодически вывозятся в отвал. Химический состав шламов химводоподготовки представлен, главным образом, карбонатом кальция, образующимся в процессе известкования природной воды и коагуляции осадка. Высокая дисперсность шламов и стабильный химический состав позволяют использовать их практически в исходном виде, и доработка заключается лишь в необходимости разбавления пастообразного шлама водой для получения рабочей суспензии требуемой плотности.

Задача строительного материаловедения заключается в том, чтобы исследовать механизмы гидратации и твердения цементных и других вяжущих

материалов в присутствие минеральных микронаполнителей, в том числешламовых отходов.

В работе рассмотрены возможные механизмы активации гидратации и твердения цементных материалов в присутствие карбонатных шламов. Экспериментальные данные, касающиеся гидратации цементных систем в присутствие модифицирующих добавок и микронаполнителей свидетельствуют о том, что с момента водозатворения до образования прочной структуры цементные системы проходят несколько этапов, на каждом из которых тонкодисперсные частицы кальцита играют определенную роль. На начальном этапе гидратации цемента происходят процессы растворения и гидролиза вяжущих веществ. В процессе дальнейшей гидратации происходит коагуляция дисперсии и образование коллоидной структуры. В этот же период гидратиру-ющиеся цементные частицы покрываются гелеоб-разными и микрокристаллическими оболочками из продуктов гидратации. Например, уже с первых секунд после водозатворения на поверхности частиц цемента формируются гидроалюминатные кристаллические структуры AFm-фаз, близкие по структуре

© АНО "Институт судебной строительно-технической экспертизы", 2023

131

Технические науки. Строительство и архитектура

ф

к Ca(OH)2(CH). В присутствие кальцита, имеющего параметры кристаллической решетки, близкие к Щ формирование гидратов может происходить не только на поверхности частиц цемента, но и на поверхности кальцита. Подобный процесс способствует уплотнению коагуляционной структуры цемента и активации формирования начальной коагу-ляционно-кристаллизационной структуры.

С химической точки зрения в цементных системах в присутствие кальцита возможно образование нескольких гидратных фаз: скаутита, таумасита, основных карбонатов кальция, а также гидрокар-боалюминатов кальция, которые могут кристаллизироваться как на частицах цемента, так и на частицах кальцита с образованием кристаллизационных мостов, формирующихся в различных полях концентрации.

Известно, что различающиеся по кристалло-химическому строению поверхности могут образовывать сросшиеся структуры при условии отсутствия полных твердых растворов, подобия кристаллических решеток, параметры которых могут различаться лишь на несколько процентов. Проанализировать возможность образования указанных видов гидратов достаточно сложно, однако стабильное повышение прочности цементно-карбонатных систем позволяет говорить о возможности подобных механизмов активации.

В отношении гидросиликатных структур следует отметить, что в присутствие кальцита возможно изменение конденсации ортосиликатов кальция вследствие чего в цементной системе формируется множество гидратных фаз различной структуры, переплетающихся и срастающихся между собой, способствуя, в целом, упрочнению цементных материалов. Это подтверждается нашими ранними исследованиями [1].

Показано, что в присутствие карбонатных шламов происходит активация образования Ca(OH)з, что позволяет сделать предположение, что в присутствие кальцита и при избытке Ш в цементной системе происходит трансформация гидросиликатных структур с образованием фрагментов гидратов, близких по структуре к ксонотлиту, гиролиту, труско-титу и тд. Кроме того, весьма важным является тот факт, что ксонолит является основой для образования скаутита. При взаимодействии кальциево-сили-катных фаз цемента с солями угольной кислоты возможно образование новых соединений, состав кото-

рых малоизучен, например, соединении группы гид-рокарбосиликатов кальция [2].

Другим перспективным направлением применения карбонатных пород, в том числе и минеральных карбонатных шламов, является использование их в тонкодисперсном (тонкомолотом) состоянии с целью создания в цементных бетонах реологически активной матрицы, повышающей эффективность применения супер-и гиперпластификаторов (СП и ГП). Тонкомолотые плотные карбонатные породы в некоторых случаях в присутствие СП и ГП разжижаются лучше, чем чисто цементные системы, что позволяет в цементно-карбонатных материалах достигать высоких водоредуцирующих эффектов и, соответственно, достигать больших значений прочности.

Использование в цементных системах тонкодисперсного кальцита способствует не только уплотнению структуры, но и активации процессов гидратации, начального структурообразования и повышению ранней прочности растворов и бетонов.

Значительный научный и практический интерес представляет использование в цементных системах бинарных и более сложных комплексов микронаполнителей совместно с СП и ГП. Подобные комплексы позволяют в определенной степени нивелировать влияние отдельных негативных факторов, например, изменчивость составов цементов, различный характер влияния СП и ГП на процессы гидратации и твердения цементных растворов и бетонов.

Библиографический список

1. Тараканов, О. В. Гидратация и твердение цементных материалов с добавками минеральных шламов / О. В. Тараканов, Т. В. Пронина ; О. В. Тараканов, Т. В. Пронина; М-во образования и науки Российской Федерации, Федеральное агентство по образованию, Международная акад. наук экологии и безопасности жизнедеятельности, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования "Пензенский гос. ун-т архитектуры и строительства". -Пенза : Изд-во ПГУАС, 2006. - 150 с. - ISBN 5-9282-0379-9. - EDN QNMNJB.

2. Козлова, В. К. Продукты гидратации кальциево-силикатных фаз цемента и смешанных вяжущих веществ : монография / В. К. Козлова, Ю. В. Карпова, Ю. А. Ильевский ; В. К. Козлова, Ю. В. Карпова, Ю. А. Ильевский ; Министерство образования и науки Российской Федерации, Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова. - Барнаул : АлтГТУ, 2005. - 186 с. - ISBN 5-75680518-4. - EDN QNEAUB.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 17.01.2023; одобрена после рецензирования 16.02.2023; принята к публикации 20.02.2023.

The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 17.01.2023; approved after reviewing 16.02.2023; accepted for publication 20.02.2023.