Силикатные материалы на основе вскрышных пород Архангельской алмазоносной провинции Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 666.965

СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД АРХАНГЕЛЬСКОЙ АЛМАЗОНОСНОЙ ПРОВИНЦИИ

© 2006 г. А.Н. Володченко, Р.В. Жуков, С.И. Алфимов

В настоящее время производство строительных материалов базируется в основном на высококачественном сырье специально разрабатываемых для этих целей месторождений. Привязывая себя к данному типу сырья, предприятия не дают себе возможность развиваться в конкурентной среде. В то же время в Северных районах нашей страны имеется минеральное сырье, которое возможно использовать для производства местных строительных материалов. К такому виду сырья можно отнести отходы горнодобывающих промышленностей - одного из источников техногенного сырья для промышленности строительных материалов. Данное сырье практически не используется, потому что оно непригодно ни для цементной, ни для керамической промышленностей.

В течение ряда лет в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова проводятся исследования по использованию отходов горнодобывающей промышленности в производстве строительных материалов [1]. В качестве одного из таких направлений выступает производство автоклавных силикатных материалов гидротермального твердения на основе песчано-глинистых пород Архангельской алмазоносной провинции (ААП).

Архангельская алмазоносная провинция, расположенная вблизи восточного побережья Белого моря (Зимний берег) на северо-западе Русской плиты, включает более 60 трубок и силлов щелочно-ультраосновных пород (кимберлитов, пикритов, оли-виновых мелилитов и базальтов). Общая площадь известных к настоящему времени объектов магматизма Архангельской области составляет менее 20 тыс. км2, но вместе с тем запасы алмазов коренного месторождения им. М.В. Ломоносова сопоставимы с запасами целой алмазоносной провинции. Такое близкое раз-

мещение тел предопределяет сходство минерального состава вмещающих пород [2].

В связи с тем что при извлечении только одного минерала - алмаза, содержание которого в самых богатых месторождениях не превышает 3 г/т, в отвалы будет выбрасываться огромное количество породы, использование отходов данного месторождения является весьма актуальным.

Цель исследования - возможность получения силикатных материалов автоклавного твердения на основе вскрышных песчано-глинистых пород месторождения имени М.В. Ломоносова Архангельской алмазоносной провинции с глубиной залегания до 100 м.

В исследованиях использовались две породы: супесь ААП (от светло-желтого до светло-коричневого цвета) и песок ААП (темно-красного цвета). Гранулометрический состав пород представлен в табл. 1. Крупная фракция (до 0,005 мм) представлена в основном кварцем. По рентгенограммам и термограммам, представленным на рис. 1, можно определить, что фракция менее 0,005 мм для супеси ААП представлена кварцем и монтмориллонитом, а для песка ААП -кварцем, гидрослюдами и каолинитом.

Известно, что коэффициент белизны силикатных автоклавных материалов достигает 55-60 % от эталона белизны сульфата бария. Введение же исследуемых пород в состав смеси позволяет придавать силикатным изделиям насыщенную желтую или красную окраску. Изучаемые породы вводили в сырьевую смесь в виде вяжущего, которое получали совместным помолом породы и извести. Эксперименты проводили по определению влияния содержания супеси и песка ААП на прочность сырца, среднюю плотность, водо-поглощение, предел прочности при сжатии, коэффициент размягчения.

Таблица 1

Гранулометрический состав пород

Порода Содержание фракций, %, размер частиц, мм

более 1,25 1,25-0,63 0,63-0,315 0,315-0,10 0,10-0,04 0,04-0,01 0,01-0,005 менее 0,005

Супесь ААП 1,99 18,6 26,37 30,07 3,97 9,51 1,9 7,59

Песок ААП - - - 32,37 43,91 9,85 3,75 10,12

а)

Температура, °С б)

Рис. 1. Рентгенограмма (а) и термограмма (б) пород фракции менее 0,005 мм: 1 - супесь ААП; 2 - песок ААП

Таблица 2

Активность сырьевой смеси составляла 8 %. Плотные материалы изготавливали методом полусухого прессования при давлении 20 МПа. Запаривали в автоклаве при давлении 1 МПа по режиму: подъем давления - 1,5 ч, изотермическая выдержка - 6 час и снижение давления - 1,5 ч.

Исследование влияния изучаемых пород на прочность сырца показало, что прочность увеличивается в 1,8-2,8 раза по сравнению с образцами на основе традиционного сырья (табл. 2).

Предел прочности при сжатии сырца, МПа

Порода Предел прочности при сжатии, МПа, от содержания породы, %

0 5 10 20 30 40 50

Песок ААП 0,43 0,45 0,53 0,65 0,73 0,78 0,80

Супесь ААП 0,43 0,48 0,55 0,91 1,01 1,12 1,21

2100 2050 2000

S 1950

¡2

£ 1900

с еч еч

* 1800

^

а

О

1750 170 0

80 70 60 50 - § 40 30

я а с

о

g20

t*

10 0

1

{ Т - -< _ и ^ < > — У ~~ г Л

J- / >-

< / < 1 S

с/ ^ 4 1 ✓ ► "" J N >2'

► 2

10 20 30 40 50

Содержание пород ААП, %

60

70

80

Рис. 2. Предел прочности при сжатии силикатных образцов (1 и 2) и средняя плотность (Г и 2') в зависимости от содержания породы: 1 и Г - супесь ААП; 2 и 2' - песок ААП

а)

б)

в)

Рис. 3. Фотографии образцов на растровом электронном микроскопе: а - контрольный образец;

б - супесь ААП;

Увеличение прочности сырца позволит снизить брак в процессе формования и получать высокопустотные изделия различной конфигурации.

Для автоклавированных образцов при содержании супеси ААП до 5 % (по массе) предел прочности при сжатии снижается (рис. 2). Дальнейшее увеличение содержания супеси ААП приводит к повышению прочности образцов в 3,1 раза и уже при 80 % (по массе) достигает 72,6 МПа. Средняя плотность образцов с добавкой супеси ААП находится в пределах 1880-2060 кг/м3. Водопоглощение составляет 12,6-13,5%. Значения коэффициента размягчения (0,7-1,0) свидетельствуют о высокой водостойкости образцов.

Для образцов с содержанием добавки песка ААП (см. рис. 2) до 10 % (по массе) прочность возрастает с 29,1 до 33,3 МПа. При дальнейшем увеличении содержания песка ААП до 30 % (по массе) прочность снижается незначительно (до 32,1 МПа) и далее резко уменьшается. Средняя плотность образцов с добавками песка ААП увеличивается незначительно и находится в пределах 1830-1930 кг/м3.

в - песок ААП

Водопоглощение составляет 12,7-15,1 %. Значения коэффициента размягчения (0,7-1,0) свидетельствуют о том, что полученный материал является водостойким.

Образцы на основе песка ААП приобретают красную окраску, а на супеси ААП - светло-желтую. Насыщенность цвета усиливается с увеличением содержания породы до 30-40 % и далее не изменяется.

Морозостойкость образцов с содержанием пород 30-50 %, в зависимости от активности сырьевой смеси и времени автоклавной обработки, составляет 35-50 циклов.

Рентгенографические и термографические исследования образцов с содержанием песчано-глинистых пород показали, что в составе цементирующих соединений образуются низкоосновные гидросиликаты кальция типа С8Н(Б) и гидрогранаты. Наличие гидросиликатов фиксируется на рентгенограмме по рефлексу 3,04 А и на термограмме по экзотермическкому эффекту при 840-860 °С, а гидрогранатов по эндотермическому эффекту при 340 °С и отражению в пределах 2,75-2,79 А на рентгенограммах.

Их количество увеличивается с повышением содержания в сырьевой смеси песчано-глинистых пород. Рост прочности образцов с добавками песчано-глинистых пород происходит в результате образования более прочной микроструктуры цементирующего вещества за счет повышения плотности упаковки материала и увеличения количества новообразований. Как показано на рис. 3, количество новообразований в поре и в межпоровых стенках у контрольных образцов меньше, чем у образцов с содержанием песчано-глинистых пород. Гидрогранаты, появляющиеся в субмикрокристаллической гелевидной фазе из низкоосновных гидросиликатов кальция, являются микронаполнителем. Рост средней плотности и связанное с этим формирование более плотной упаковки приводит к снижению водопоглощения. Это подтверждается тем, что образцам с максимальной средней плотностью соответствует минимальное водопоглощение.

Таким образом, вскрышные песчано-глинистые породы Архангельской алмазоносной провинции можно использовать в качестве сырья для получения окрашенных высокопустотных силикатных материалов автоклавного твердения, превосходящих извест-ково-песчаные изделия по своим физико-механическим показателям.

Замена традиционных дефицитных материалов более дешевыми, доступными и эффективными вскрышными породами Архангельской алмазоносной провинции позволит не только снизить содержание отходов в отвалах и создать благоприятные микроклиматические условия для жизнедеятельности человека, но и повысить эффективность их использования в качестве одного из источников сырья для силикатных автоклавных материалов.

Литература

1. Терещенко А.П., Лесовик В.С., Воронцов В.М., Володчен-ко А.Н. Вскрышные породы КМА - сырье для автоклавных силикатных материалов // Инф. ВНИИЭСМ. Сер. 2. Промышленность строительных материалов. М., 1985. Вып. 7. С. 10-14.

2. Кротков В.В., Кудрявцева Г.П., Богатиков О.А. и др. Новые технологии разведки алмазных месторождений / Под ред. Н.П. Лаверова. М., 2001.

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова 21 июня 2006 г.

УДК 699.841

ОСТАТОЧНЫЕ СЕЙСМИЧЕСКИЕ СМЕЩЕНИЯ ГРУНТА, ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗДАНИЕ, СЕЙСМОСТОЙКИЕ СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ

© 2006 г. В.Г. Столяров

Величина и роль остаточных сейсмических смещений грунта

Обсудим направления учёта и использования в реальном проектировании гражданских и промышленных зданий остаточных сейсмических смещений грунта [1, 2]. Этот фактор является относительно новым. Он не отражён в действующих нормах и проектной практике. В 1996 г. в [3] обсуждено влияние остаточных смещений на геоэкологию Прибайкалья, но аргументация не конкретная: смещения опасны, так как достигают больших значений - 263 мм в 9-балльной зоне, 1,585 м - в 10-балльной и 9,55 м - в 11-балльной. В 1999 г. нами предложено [4] учитывать саму величину остаточных смещений при проектировании свайных фундаментов с промежуточной подушкой [5, 6]. В связи с этим показано, что нельзя применять однорядные свайные ленточные фундаменты под стену - вместе с грунтом получат смещения и сваи, не связанные с ростверком и массой здания, а

вертикальная нагрузка становится несоосной фундаменту (т.е. - ряду свай).

В [2] В . М. Грайзер ставит задачу определить связь между смещением почвы х(/) и акселерограммой у(/) - найти истинное движение почвы из записи землетрясения. Задача: «в зависимости от соотношения между амплитудами сигнала и помехи, присутствующей в записи, определять истинное движение почвы с учётом остаточного смещения, без учёта остаточного смещения (колебательную составляющую движения) или смещение в ограниченной полосе частот».

Наибольшее значение имеют остаточные смещения грунта. В [1] В. М. Грайзер определил, что во время землетрясения (а также «взрыва мощностью 104 кг, зарегистрированного в районе пос. Чилик» [2]) грунты получают остаточные смещения и0, мм. Эмпирические зависимости и0(М, Я) и и0(1) остаточных смещений определены им для землетрясений с магни-