CC BY
265
© А.Н. Монтянова, М.С. Гаркави,
Н.С. Косова, 2009
УДК 534.283
А.Н. Монтянова, М. С. Гаркави, Н.С. Косова
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ДОБАВОК В ЗАКЛАДОЧНЫХ СМЕСЯХ
Выявлены возможности улучшения свойств формируемых закладочных массивов и экономических показателей их возведения с помощью новых добавок, используемых в строительстве.
Ключевые слова: закладочные смеси, пластифицирующие добавки, заполнитель, бетон.
Семинар № 15
A.N. Montynova, M.S. Garkavi,
N.S. Kosova
THE SPECIFIC CHARACTERISTICS AND THE EFFECTIVENESS OF THE IMPLEMENTATION OF THE ADDITIVES IN THE STOWING BLENDS
The possibilities for the improvement of the characteristics of the stowing rock masses and the economical parameters of their building trough implementation of new additives used in the civil engineering are found out.
Key words: stowing blends, water reducing admixtures, filling, concrete.
ІТ/'ак известно, приготовление закладочных смесей наиболее часто осуществляется в условиях поверхностных закладочных комплексов в непрерывном режиме с высокой часовой производительностью (25^- 400 м3/ч). Далее смеси транспортируются по трубопроводу на протяженные расстояния (до 3 км) в самотечном режиме, заполняют выработанное пространство с повторением контуров рудного тела и обеспечивают нормативную прочность закладочных массивов к моменту обнажения горными выработками.
По составу закладочные смеси близки к растворам и бетонам, поскольку при их изготовлении применяются: вя-
жущее, заполнитель, вода и, возможно -добавки, улучшающие свойства композиций.
Однако в отличие от бетонов и растворов закладочные смеси имеют специфические особенности, которые вносят свои коррективы в применении добавок:
1. Подвижность, определяемая по погружению конуса “СтройЦНИИЛа” 13-14 см (по полному погружению [1]), т.е. более высокая;
2. Содержание тонкодисперстных фракций (менее 0,14 мм) в используемом заполнителе составляет ~ 30 %, что значительно превышает показатели для заполнителей бетонов (не более 2 % , ГОСТ 8736 и 8267);
3. Водо-цементное (В/Ц) отношение, считающееся в строительстве фактором, определяющим прочность, у бетонов и растворов варьирует от 0,2 до 1,0; в закладочных смесях - от 1,0 до 4,0. Причем, если в строительстве зависимость прочности от В/Ц близка к линейной, то в закладочных смесях - выраженная квадратичная и влияние В/Ц на прочность в граничных диапазонах кривой не существенно;
4. Содержание цемента в закладочных смесях, относительно бетонов -
пониженное (100-300 кг/м3), т.к. требуемая прочность характеризуется невысокими показателями - от 0,5 до 10 МПа;
5. В силу необходимости транспортирования закладочных смесей на значительные расстояния по трубопроводу в самотечном режиме недопустимо применение ускорителей твердения, сокращающих сроки схватывания смеси или “темп старения”, как принято характеризовать данное свойство у закладчиков;
6. Закладочные смеси и добавки, как составляющая их часть, не должны выделять в шахтную атмосферу опасные для здоровья вещества.
7. Объем производства закладочных смесей значительно превышает объемы производства бетонов и растворов в строительстве и это обусловливает необходимость организации масштабных теплых складов для хранения добавки, что сопряжено со значительными капитальными затратами. Вместе с тем, опытом работы с перемерзающими материалами в северных условиях выявлено, что зачастую даже при наличии теплых складов, композиции полностью направляются в отход после аварийных отключений электроснабжения. Рисковать работоспособностью закладочных комплексов и, соответственно планами добычи, не представляется возможным. Следовательно, для рудников, расположенных в условиях Крайнего севера и поставляющих материалы по навигации, недопустимо применение добавок, утрачивающих свои свойства при перемерзании.
В настоящее время при производстве закладочных смесей добавки используются крайне редко. Данные о результатах исследований в этой области скудны. Известны единичные случаи применения пластификаторов, в т.ч. внедрение и успешное использованием лигносуль-
фоната технического (ЛСТ) на алмазодобывающих рудниках АК «АЛРОСА». ЛСТ - побочный продукт переработки древесины. Состав по компонентам, % мас.: лигносульфонат натрия - 66-71, сахара - 10-12, натриевые соли сернистой кислоты 12-14. ЛСТ широко применяются в качестве пластификатора цемента и разжижителя шлама в строительной промышленности. Условия хранения порошкообразного лигносульфо-ната технического: в не отапливаемых закрытых проветриваемых помещениях.
Исследованиями, выполненными институтом Якутнипроалмаз в 90-х годах, установлено, что доза добавки ЛСТ в составах закладочных смесей зависит от качества используемого заполнителя и расхода цемента в смеси. Роль лигно-сульфоната - обеспечить пластичность и водоудерживающую способность смеси при выбывающем количестве цемента, являющемся пластичным и водоудерживающим материалом.
При достаточном количестве тонкодисперсных фракций в составе заполнителя (~ 30 % фракций менее 0,08 мм), доза лигносульфоната по отношению к цементу увеличивается по мере убывания последнего, при этом в составе закладочных смесей доза лигносульфона-та остается постоянной.
В случае если тонкодисперсных фракций недостаточно (природный мелкозернистый песок месторождения “Прикарьерное”) количество ЛСТ в составе закладочных смесей существенно возрастает и определяется по формуле: Qд = 4,3 - 0,0045 Qц, (1)
где Qд - расход добавки в сухом состоянии, кг/м3; Qц - расход в составе закладочной смеси портландцемента, кг/м3.
Эффективность использования лиг-носульфоната технического при производстве закладочных смесей подтверждена практикой на рудниках АК «АЛ-
РОСА». В условиях рудника “Интернациональный” установлено, что применение лигносульфоната технического позволяет увеличить растекаемость закладочных смесей в выработанном пространстве с 40 до 80 м, снижает водоот-деление от закладочного массива в два раза и повышает прочность закладки эквивалентно ~ 30 кг портландцемента. В условиях рудника “Айхал” дополнительно зафиксировано, что смеси с ЛСТ самотеком освобождают трубопровод до начала его промывки (угол наклона горизонтального участка 2о).
Целью исследований, результаты которых изложены в данной работе, являлось выявление возможности улучшения свойств формируемых закладочных массивов и экономических показателей их возведения с помощью новых добавок, используемых в строительстве. При этом за базу сравнения принимались внедренные и используемые на рудниках АК «АЛРОСА» составы закладочных смесей, содержащие добавку ЛСТ в приведенных выше дозах.
Среди многочисленных добавок, применяемых в технологии бетона, наиболее интересны с позиции использования при производстве закладочных смесей пластифицирующие добавки, позволяющие сохранить требуемую подвижность смесей при снижении их во-допотребности, повысить их растекае-мость и физико-механические показатели в различные сроки твердения. Механизм действия классических пластификаторов основан на адсорбционном взаимодействии с тонкодисперсными частицами и продуктами гидратации цемента. Следствием этого является создание структурированного гидрат-ного слоя вокруг частиц твердой фазы, сглаживание микрорельефа зерен тонкодисперсных частиц и снижение коэффициента внутреннего трения шла-
мовой части смесей, изменение дзета-потенциала коллоидных частиц и повышение агрегативной устойчивости шламовой части смесей [2, 3]. Наибольшую известность получили следующие органические поверхностноактивные вещества, используемые в качестве классических пластифицирующих добавок: лигносульфонаты
щелочных и щелочно-земельных металлов, в том числе модифицированные, гидроксикарбоновые кислоты и их соли, соли много-основных кислот, углеводы и их производные.
В конце 70-х годов разработаны, исследованы и прошли производственное испытание высокоэффективные пластификаторы бетонной смеси - суперпластификаторы (синтетические анио-нактивные добавки нафталин- и меламин-формальдегидного типа), которые по своему пластифицирующему воздействию на бетонную смесь значительно сильнее классических пластификаторов [4]. Пластификаторы и суперпластификаторы значительно отличаются по характеру адсорбции: классические ПАВ, адсорбируясь на границе вода - воздух, значительно понижают поверхностное натяжение воды, вызывая дополнительное воздухововлечение в бетонную смесь [7]; суперпластификаторы адсорбируются на границе вода - твердая фаза, поэтому они незначительно влияют на поверхностное натяжение жидкой фазы, а их действие обуславливается диспергирующим эффектом, т.е. существенным увеличением доли мелких частиц в системе [6]. Соответственно, введение суперпластификаторов практически не вызывает воздухововлечения при приготовлении растворных и бетонных смесей, что характерно для обычных пластифицирующих добавок [6]. Увеличение действующей поверхности частиц в результате дезагрегации цементных сис-
тем приводит к установлению большего числа контактов между взаимодействующими частицами, более интенсивному срастанию, компенсируя возможное замедляющее влияние суперпластификаторов на процессы гидратации и структурообразования цемента [6].
В последние годы на рынке пластифицирующих добавок появились также высокоэффективные модификаторы на основе поликарбоксилатов, так называемые гиперпластификаторы [5]. Принцип действия таких пластификаторов - электростатическое диспергирование - основывается на сильном смещении £ - потенциала частиц вяжущего в отрицательную область. Диспергирование частиц вяжущего происходит в самом начале гидратации, при этом имеет место хемосорбция молекул пластификатора на поверхности частиц вяжущего. Действие пластификаторов нового поколения основано на совокупности электростатического и пространственного эффекта, который достигается с помощью боковых гидрофобных полиэфирных цепей молекулы поликарбок-силатного эфира. В зависимости от условий синтеза получают поликарбокси-латы с различными длинами боковых полиэфирных цепочек, которые обладают сильным водоредуцирующим эффектом.
В работе приведены результаты опробований в закладочных смесях наиболее часто используемых в строительстве или рекламируемых добавок: 1 - Суперпластификатор «С-3» на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида; 2 - Пластифицирующая и упрочняющая добавка «Конкрепол» для цементных, цементно-песчаных и тампо-нажных растворов, созданная на основе водополимерных систем высокомолекулярного К-виниламида со 100% раство-
римостью в воде; 3 - Гиперпластификатор «Глениум С 323 Mix (FM)» на базе нового поколения поликарбоксилатных эфиров (производитель - фирма BASF, добавки утрачивают свои свойства при перемерзании); 4- Гиперпластификатор «Глениум 51 (FM)» на базе поликарбок-силатного эфира для бетона с быстрым нарастанием прочности, обладает исключительным диспергирующим действием (производитель - фирма BASF); 5 -Ускоритель-пластификатор «Лигнопан Б-2» на основе фракционированных лигно-сульфонатов, суперпластификаторов, нафталин- или меланин-сульфо-кислоты, тиосуфата натрия, роданистого натрия, карбонатов натрия или лития, пеногасите-лей и простых эфиров целлюлозы; 6 -Противоморозно - пластифицирующая добавка «Лигнопан Б-4»; 7 - Полифунк-циональный модификатор бетона, относящийся к классу сильно пластифицирующих добавок «ПФМ-НЛК» на основе пластифицирующих и воздухововлекающих компонентов, содержит в своем составе суперпластификатор «С-3», лигно-сульфонаты технические и жидкость кремнийорганическую ГКЖ; 8 - Суперпластификатор «КРИОПЛАСТ СП15-2» -смесь натриевых солей полиметиленнаф-талинсульфокислот различной молекулярной массы с добавлением противомо-розного комплекса на основе промышленной смеси роданида и тиосульфата натрия; 9 - Суперпластификатор и ускоритель набора прочности «РЕЛАМИКС-М» состоит из натриевых солей полиме-тиленнафталинсульфокислот различной молекулярной массы с добавлением комплекса ускоряющего набор прочности; 10 - Многокомпонентная тонкодисперсная сухая смесь ЦМИД-4; 11 - Модификатор бетона серии МБ (МБ 10-01) представляет собой порошкообразный продукт на органо-минеральной основе, содержащий в своем составе микрокрем-
□ Без добавок
□ ЛСТ-по (1)
□ "Лигнопан Б-4"-1,5%
□ "Лигнопан Б-4"-1,0%
□ "ПФМ-НЛК"-0,3%
□ "ПФМ-НЛК"-0,6%
□ "ПФМ-НЛК"-0,9%
□ "Глениум С 323"-0,6%
□ "Глениум С 323"-0,8%
□ "Глениум С 323"-0,9%
□ "Криопласт" -2,2%
□ "Криопласт" -2,5%
□ "Глениум 51 "-2%
□ "Глениум 51"-3%
□ "Реламикс М"-1 %
□ "Реламикс М"-2%
□ '^асИерІаБҐ-І,5%
□ '^асИерІаБҐ-І,0%
□ "81асИерІазґ-0,5%
□ "МеІАих"-0,5%
□ "МеІАих"-1,0%
Рис. 1. Влияние добавок на прочностные показатели закладки на основе мелкозернистого песка
незем конденсированный и пластификатор «С-3»; 12 - Пластификатор на основе модифицированного лигно-сульфоната Stacheplast^; 13 - Суперпластификатор на базе модифицированных меламиновых полимеров Stach-ment ЫЫ; 14 - Гиперпластификатор Melflux представляет собой порошок модифицированного полиэфиркарбок-силата, полученный методом распылительной сушки (производитель трех последних добавок - фирма «Stachema ^Пп», Чехия).
Рассмотрена также целесообразность использования при производстве закладочных смесей минерального вяжущего «Микродур» и цемента «Макфлоу». На алмазодобывающих рудниках Якутии повсеместно распространены подземные минерализованные воды и соленасыщенные породы, являющиеся агрессив-
ными по отношению к цементам. Ввиду несоизмеримо высокой стоимости первого (в 30 раз выше портландцемента) и недопустимости проникновения в смесь на основе второго агрессивных компонентов, исследования признаны безосновательными.
Испытания добавок проводились в составе закладочных смесей на основе портландцемента марки М400 Якутского цементного завода. В качестве заполнителя использовались мелкозернистый песок месторождения «Прикарьерное» или диабазовые породы, подготовленные по «мельничной» технологии. Фиксировались: плотность закладочных
смесей, вязкость на ротационном вискозиметре Брукфильда, растекаемость по вискозиметру Суттарда; подвижность по полному погружению конуса СтойЦНИИЛа [1], предел прочности
чР 120
Ч
2 100
а
со
.о
н
о
о
о
&
с
к
си
X
л
ц
£
5
о
о
X
н
о
80
60
40
20
Добавки
□ ЛСТ-0,9%
□ "С-3"- 0,13%
□ "С-3"- 1,3%
□ "Глениум С 323" -0,2%
□ "Глениум С 323" - 0,5%
□ "Глениум С 323" -08%
□ "Глениум С 323" - 0,9%
□ "Лигнопан Б-2" 0,8%
□ "Лигнопан Б-2" 1,(0%
□ "Лигнопан Б-2" -1,5%
□ "ПФМ-НЛК" - 0,3%
□ "ПФМ-НЛК" - 0,16%
□ "ПФМ-НЛК" - 0,8%
■ "Конкрепол"-0,8%
□ "МеІНих" -0,375%
□ "81асЬіетепГ-0,4%
0
Рис. 2. Влияние добавок на прочностные показатели закладки на основе диабазовых пород («мельничный» способ получения закладочных смесей)
при одноосном сжатии образцов. Образцы закладочных смесей с добавками и без них хранились в идентичных температурных и влажностных условиях.
Анализом полученных результатов выявлено, что эффективность использования добавок во многом определяется видом заполнителя закладочных смесей.
Из данных, приведенных на рис. 1. следует, что в закладочных смесях на основе мелкозернистого песка месторождения «Прикарьерное» с большим содержанием глинистых частиц использование супер- и гиперпластификаторов не эффективно. Это обусловлено тем, что добавки вызывают диспергирование не только частиц вяжущего, но и глинистых частиц, что приводит к увеличению, а не снижению водопотребности закладочных смесей. В смесях с большим содержанием воды не реализуется
водоредуцирующее действие супер- и гиперпластификаторов [4]. В то же время лигносульфонаты в таких системах проявляют пластифицирующий эффект. Это объясняется тем, что лигносульфо-наты в данном случае оказывают на песок дефлокуляционное воздействие, которое зависит от их адсорбционной способности на поверхности минеральных частиц [7]. В водном растворе ионизированный лигносульфонат легко адсорбируется на поверхности глинистых частиц, сообщая им отрицательный заряд. При этом зона положительных зарядов окружает отрицательно заряженную частицу. Такой двойной электрический слой заставляет частицу отталкиваться друг от друга, что поддерживает всю систему в дисперсном и подвижном состоянии [7].
В смесях на основе диабазовых пород при использовании гиперпластифи-
Таблица 1
Влияние температуры твердения на прочность закладки
№ п/п Вид добавки Прочность при сжатии, МПа
8оС 20оС 50оС
1. ЛСТ 3,7 6,6 8,6
3. Melflux 4,2 8,4 9,5
Таблица 2
Влияние гиперпластификаторов на плотность закладочных смесей
Вид добавки Расход компонентов, кг/м3 Плотность смеси, кг/м3 Диаметр растекания, см
Добавка Цемент Вода Диабаз
ЛСТ 1,2 103 371 1614 2090 18
Melflux 0,6 94 338 1801 2234 20
ЛСТ 1,2 323 392 1436 2153 19
Melflux 0,6 300 361 1554 2217 20
каторов наблюдается повышение прочности закладки: гиперпластификторы
"Глениум С 323" и МеШих (увеличение прочности на 20 - 30 %), рис. 2. Причем, наиболее эффективно их применение в жирных смесях, т.е. в смесях с повышенным расходом портландцемента.
На ряде месторождений закладочные работы производятся в условиях отрицательных или низких положительных температур горного массива и шахтного воздуха [1]. В выработанном пространстве цементные закладочные массивы саморазогреваются (~ 40-60 оС), а затем, вследствие теплообменных процессов, остывают. Поэтому исследовано влияние пониженных и повышенных температур твердения на прочность закладки (8, 20 и 50оС) (табл. 1).
Из табл. 1 следует, что при повышенной и пониженной темпера-туре твердения (50 оС и 8 оС ) влияние гиперпластификаторов на прочность закладочного массива снижается. Это согласуется с известным положением об отрицательном вли-янии температур на прочность цементных систем с
пластификаторами данного типа [6]. Установлено, что применение гиперпластификаторов обеспечивает увеличение плотности закладочных смесей (табл. 2). Отмеченное объясняется тем, что введение супер- и гиперпластификаторов практически не вызывает воз-духововлечения при приготовлении растворных и бетонных смесей, что характерно для обычных пластифицирующих добавок [2].
На примере рудников АК «АЛРОСА» укрупнено оценена экономическая эффективность применения гиперпластификаторов при производстве закладочных смесей. С учетом транспортных, складских расходов и НДС стоимость добавок ЛСТ и МеШих приведена в табл. 3. АК «АЛРОСА» осуществляет доставку основных материалов в период навигации, т.е. заключает договора на приобретение цемента заблаговременно, большей частью в 1 кв. текущего года. Поэтому рудники АК «АЛРОСА» не в полной мере ощутили повышение цен на портландцемент, произошедшее осенью 2007 г.
Таблица 3
Стоимость материалов с учетом их доставки на рудник «Айхал» (уровень цен 2007 г.)
Материал Стоимость мате- Расходы по доставке материалов на рудники Итого стои-
риалов от изго- АК «АЛРОСА», % мость
товителя, цена I Внеш Складс- Внутри- Администра-
ние кие системные тивно-
2007 г. (Айхал) управленче- ские
ЛСТ 17000,0 42 5,5 13,9 2,5 27880,0
Melflux 125000,0 42 5,5 13,9 2,5 205000,0
Цемент М 400 2932,8 62 5,5 13,9 2,5 5320,1
Таблица 4
Изменяемая часть себестоимости закладочных смесей на основе диабаза и добавок ЛСТ или Меі/іих
Наименование применяемой добавки Расход материалов, кг/м3 Стоимость материалов для приготовления 1 м3 смеси, руб Изменяемая часть себестоимости смесей, руб/м3
Добавка Цемент Диабаз Добавка Цемент Диабаз
ЛСТ 1,2 103 1614 33,5 555,8 645,6 1234,9
Melflux 0,6 94 1801 123,0 507,3 720,4 1350,7
ЛСТ 1,2 323 1436 33,5 1743,0 574,4 2351,2
Melflux 0,6 300 1554 123,0 1618,9 621,6 2363,5
Поскольку использование гиперпластификатора «МеШих» сопряжено с повышенным расходом заполнителя в составах закладочных смесей, в табл. 4 учтена стоимость диабазового щебня на руднике «Айхал» - 400 руб/т (уровень цен 2007 г.).
Из табл. 4 следует, что при применении MeШux стоимость закладочных смесей несколько возрастет, а не уменьшается.
Экономия цемента в смесях составляет 9-23 кг/м3, а изменяемая часть себестоимости смесей увеличивается на 12-115 руб/м3. Данный факт обусловлен не только высокой стоимостью добавки, но и повышенной плотностью получаемых закладочных смесей (2204-2217
против 2090-2153 кг/м3). При этом в закладочной смеси увеличивается содержание заполнителя - диабазовых пород, на 118-187 кг/м3, что дополнительно негативно отражается на экономических показателях применения новой добавки. Однако следует учесть, что в условиях все возрастающей стоимости портландцемента возможность его экономии за счет применения при производстве закладочных смесей на основе заполнителя из скальных пород гиперпластификаторов может быть оправдана. При этом целесообразно использовать добавок не утрачивающие своих свойств при пере-мерзании, например, т.е. порошкообразные гиперпластификаторы.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Монтянова А.Н. Формирование закладочных массивов при разработке алмазных месторождений в криолитозоне: Издательство «Г орная книга» - Москва, 2005.
2. Вовк А.И. Современные представления о механизме пластификации цементных систем / Бетон и железобетон - пути развития / Научн. тр. 2-ой Всерос. (Между-нар.) конф. по бетону и железобетону. - т.
3. - М.: Дипак, 2005. - С 740-753.
3. Колбасов В.М., Елисеев Н.И., Панюшкина Т.А. Формирование структуры цементного камня в присутствии суперпластификаторов / Матер. VI Всес. научно-технич. со-вещ. по химии и технологии цемента. - М., 1983. - С.47-53.
4. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. - 2-е изд., перераб. и доп. - М., 1998.- 768 с.
5. Massazza F. Admixtures in Concrete // Admixtures Cement Technology Critical Review and study of manufacturing quality control, operation and use. - Oxford.-1993. - Pp.569-648.
6. Добавки в бетон: Справочное пособие / В.С. Рамачандран, Р.Ф. Фельдман, М. Коллепарди и др.; Под ред. В.С. Рамачандрана. - М.: Стройиздат, 1988. - 575 с.
7. Демьянова В.С. Дубошина Н.М. Сухие строительные смеси, модифицированные химическими добавками // Известия вузов. Строительство. - 1998. - №4-5. - С. 69-72. ПТШ
— Коротко об авторах
Монтянова А.Н. - доктор технических наук, зав. лабораторией технологий закладки института Якутнипроалмаз, info@alrosa.ru
ГаркавиМ.С. - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой строительных материалов Магнитогорского государственного технического университета, mgtu@magtu.ru Косова Н.С. - ведущий инженер лаборатории технологий закладки.
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНАЯ КОРПОРАЦИЯ «УРАЛМАШ»
ГАЗАЛЕЕВА Галина Ивановна Научное обоснование и разработка технологии обогащения асбестовых руд с получением готовой продукции высокого качества 25.00.13 д.т.н.
