CC BY
36
ТЕРМОАКТИВАЦИЯ ОПАЛ-КРИСТОБОЛИТОВОЙ ПОРОДЫ — ОТХОДА КОРКИНСКОГО УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Носова Анна Николаевна
млад. науч. сотр. НИЛ кафедры «Строительного материаловедения, изделий и
конструкций» БГТУ им. В.Г. Шухова, г. Белгород
E-mail: anit-ka@mail. ru Фомина Екатерина Викторовна канд. техн. наук, доцент кафедры «Строительногоматериаловедения, изделий
и конструкций» БГТУ им. В.Г. Шухова, г. Белгород
E-mail: _ fomina.katerina@mail. ru
THERMAL ACTIVATION OF THE OPAL-KRISTOBOLITOVOY BREED —
COAL MINE WASTE KORKINSKIE
Nosova Anna Nikolaevna
junior Researcher SLR department «Building materials, components and structures»
BSTU named after V.G. Shoukhov, Belgorod Fomina Ekaterina Victorovna candidate of Technical Sciences, Associate Professor department «Building materials, components and structures» BSTU named after V.G. Shoukhov, Belgorod
АННОТАЦИЯ
В работе установлено, что расширить сырьевую базу для производства композиционных вяжущих возможно за счет применения опал-кристоболитовой породы — отхода коркинского угольного месторождения. Показано повышение реакционной активности опоки путем предварительной термоактивации. Изучена кинетика обжига опоки с подбором оптимальных режимов. Применение активированной опоки в составе композиционного вяжущего оказывает влияние на структуро - и фазообразование при гидратации и твердении с получением высоких прочностных показателей.
ABSTRACT
It is determined, application of opal-crystoballite ( the waste of Korkin coal mine) allows to expand raw material resources base for composite binder production. Reactivity of opoka can be enhanced by previous thermo activation. Kinetic of burning of opoka under different optimal conditions is studied. Application of activated opoka as component of composite binder affects structure and phase forming when hydration and solidification process leading to high strength properties.
Ключевые слова: композиционное вяжущее, опал-кристоболит, техногенные отходы производства, прочность.
Keywords: composite binder, opal-crystoballite, industry wastes, strength.
Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках гранта Президента РФ № МК-6170.2013.8
За последние годы в России значительно выросли темпы строительства и ввода в эксплуатацию сооружений различного назначения, что повлекло необходимость увеличения объема выпуска вяжущих, в том числе клинкерных, практически в два раза. Производственные мощности цементных предприятии не позволяют увеличить производство клинкера, а строительство новых заводов требует значительных временных и инвестиционных затрат. Увеличить объем гидравлических вяжущих возможно за счет получения композиционных вяжущих веществ (КВ) с применением отходов производств, что позволит сократить расход клинкерной составляющей в бетоне, улучшить экологическое состояние и получать материалы с принципиально новыми свойствами [7—2].
При добыче угля на Коркинском угольном месторождении (КУМ) в отходах содержится достаточное количество алюмосиликатного сырья, которое представляет интерес для строительного комплекса [3]. Среди разнообразия минерального и гранулометрического состава отходов выделяются опоки и опоковидные глины, но учитывая генетические особенности этого материала, непостоянство по составу и свойствам, затруднительным является его широкомасштабное применение при производстве строительных материалов.
Целью работы являлось повышение активности опал-кристаболитовой породы — опоки путем обжига для получения активного компонента КВ.
Применялись материалы, характеристики которых даны в таблице 1.
Таблица 1.
Химический состав минералов, масс. %
Содержа ние
SiO
2
Al2 O3
Fe2 O3
Са O
Mg O
TiO
2
K2 O
Na2 O
Н2 О
SO
ппп
оксидов
Опока 80,9 6 7,33 4,95 1,30 0,76 0,1 4,8 3,8 5,3 — 4,62
Кварцевы й песок 92,4 2,36 0,77 1,88 0,2 — — — — 0,05 1,95
По результатам рентгенофазового анализа (РФА) основными минералами исследуемой природной опоки являются кварц, галлуазит и около 70 % аморфного кремнезема. Акцессорными минералами являются каолинит, монтмориллонит, анортит и геленит. Микроструктура опоки КУМ сложена в основном мельчайшими (менее 0,005 мм) частицами опал-кристобалитового кремнезема, обладающими высокой реакционной способностью [4].
Повышение активности опоки проводили путем обжига в интервале температур от 100 до 900 °С при выдержке 20 минут (рис. 1). Параллельно проводилась кинетика выдержки материала при оптимально установленной температуре (рис. 2). В данной работе активность обожженной опоки оценивали в составе КВ при естественном твердении в возрасте 28 суток. Предварительно производили совместный помол 50 % обожженной опоки и 50 % портландцементного клинкера до 500 м2/кг. Исследования проводили на образцах-кубиках размером 2*2*2 см. В качестве контрольного был принят состав КВ, состоящий из 50 % портландцемента 42,5 Н и 50 % кварцевого песка. Контрольный состав имел выходную прочность при сжатии 35 МПа.
В результате термоактивации опок с заданным интервалом 20 мин максимальной активностью 32,5 МПа обладают образцы вяжущего с применением опоки обожженной при 600 °С (рис. 1). Оптимальное время выдержки опоки при 600 °С составляет 40 мин, при этом прочность КВ достигает 34,5 МПа (рис. 2).
Рисунок 1. Активность КВ в зависимости от температуры обжига опоки
Рисунок 2. Активность КВ при изменении времени обжига опоки (600 °С)
Повышение прочности КВ связано с несколькими факторами: во-первых, постепенная дегидратация глинистой составляющей и перестройка их структуры приводят к повышению пористости и появлению высокодисперсных новообразований, которые являются высокореакционными центрами при гидратации вяжущего [5], во-вторых, при температуре 500 °С происходит обезвоживание и полное превращение химически малоактивного каолинита в метакаолинит (А2О3^28Ю2), обладающий значительной активностью при взаимодействии с гидроксидом кальция и водой в условиях гидратации вяжущего. Снижение количества каолинита при обжиге опоки подтверждено РФА. При более высоких температурах обжига (900 °С) химическая активность вяжущего заметно снижается вследствие перестройки кристаллической решетки метакаолинита с частичным отщеплением у-А12О3 и образованием
твердого раствора SiO2 и А!^.
Разработанное вяжущее использовали в составе тонкомолотого цемента ТМЦ-50 [6]. Для получения образцов производили совместный помол обожженной опоки, клинкера и кварцевого песка при соотношении компонентов, масс. %: обожженная опока — 25, клинкер — 25, кварцевый песок — 50. Контрольным был принят состав ТМЦ-50 без добавления обожженной опоки.
Таблица 2.
Активность ТМЦ-50 с применением термоактивированной опоки
Время твердения, суток 3 7 14 28
Предел прочности при сжатии, МПа 15 25 40 61
Применение КВ на основе кремнистых пород позволяет сократить расход клинкера при содержании кремнистой породы до 25 % с повышением прочности при сжатии на 5 % (табл. 2) в сравнении с традиционным цементным камнем. По результатам РФА образца с максимальной прочностью фазовый состав в сравнении с контрольным составом отличается более полным связыванием Са(ОН)2 в кристаллические новообразования. Аморфная кремнеземсодержащая фаза опоки обладает высокой реакционной способностью по отношению к Са(ОН)2 при гидратации вяжущего, что способствует интенсивному образованию высокопрочных кристаллических гидросиликатов кальция в основном низкоосновного типа. Кроме того, активное взаимодействие метакаолинита с известью способствует образованию гидрогеленита (2CaO•Al2Oз•SiO2•8H2O) и дополнительного количества гидросиликатов кальция типа CSH(B).
Необходимо так же отметить, что термоактивированная опока отличается высокой размалываемостью, удельная поверхность которой увеличивается за 90 минут в 10 раз. В силу того, что опока состоит в основном из отдельных зерен, предел прочности контактной зоны между ними значительно ниже, чем прочность отдельных монокристаллов кварца с близкой твердостью
породообразующих минералов. При помоле разрушение опоки идет именно по контактным зонам, поэтому она отличается наибольшей размолоспособно стью. Высокодисперсные частицы термоактиврованной опоки в составе ТМЦ-50 способствуют дополнительному заполнению межзернового пространства, в комплексе повышая прочность вяжущего.
Таким образом, целесообразность применения термоактивированной опоки в составе вяжущих заключается в снижении на 25 % клинкерной составляющей, улучшении физико-механических характеристик готового изделия с существенным изменением фазового состава, снижении экологического прессинга, что в комплексе ведет к энерго- и ресурсосбережению.
Список литературы:
1. Лебедев М.С., Строкова В.В., Жерновский И.В., Потапова И.Ю. Изменение свойств минеральных порошков из алюмосиликатного сырья под влиянием термической модификации // Строительные материалы. 2012. № 9. С. 68— 70.
2. Лесовик В.С. Генетические основы энергосбережения в промышленности строительных материалов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 1994. № 7. С. 96.
3. Лесовик В.С., Агеева М.С., Иванов А.В. Гранулированные шлаки в производстве композиционных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 3. С. 29—32.
4. Лесовик В.С., Вишневская Я.Ю., Алфимова Н.И. Энергоемкость процессов синтеза композиционных вяжущих в зависимости от генезиса кремнеземсодержащего компонента // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. № 3. С. 53—56.
5. Лесовик В.С., Жерновой Ф.Е., Глаголев Е.С. Использование природного перлита в составе смешанных цементов // Строительные материалы. 2009.
№ 6. С. 84—87.
6. Лесовик В.С., Строкова В.В., Ходыкин Е.И., Кривенкова А.Н. Композиционное вяжущее с использованием кремнистых пород // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. № 1. С. 25—27.
7. Строкова В.В., Жерновский И.В., Лютенко А.О., Лебедев М.С. Анализ органо-минеральных композитов с учетом генезиса и размерных уровней минерального сырья // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2009. № 4. С. 28—32.
