CC BY
12Раздел 2. Строительные науки
УДК 666.9.022.3
УТИЛИЗАЦИЯ ШЛАМОВЫХ ПРОДУКТОВ ШАРХИНСКОГО КАРЬЕРА В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Елькина И.И.
ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского», Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение), Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181. e-mail: irivel@mail.ru
Аннотация. Исследовано влияние полусухого прессования на прочность образцов на основе шламовых продуктов промывки отсевов Шархинского карьера. Изучены свойства образцов и проведена статистическая обработка экспериментальных результатов, исследована микроструктура образцов. Произведена опытно-промышленная проверка процесса полусухого прессования изделий из формовочных смесей на основе шлама Шархинского карьера.
Ключевые слова: шлам, шлакопортландцемент, полусухое прессование, образцы-цилиндры, предел прочности при сжатии
Введение
В производстве заполнителей для бетона из дробленных магматических пород для повышения качества щебня и песка широко используется технология их промывки. При этом образуется значительное количество шламов, требующих утилизации. Например, в процессе производства щебня и песка из грандиоритовых пород на Шархинском карьере (Республика Крым) при промывке образуется до 50-60 тыс. м3 шлама в год. Отсутствие экологически приемлемых условий для захоронения шламов на южном берегу Крыма вызывает необходимость поиска путей их переработки.
Рис. 1. Промывка породы при производстве щебня и песка
В настоящее время общий объем отсевов в отвалах - 600,4 тыс. м3 , полностью заполнен шламоотстойник объемом 1,5 тыс. м3, построен новый шламоотстойник объемом 5 тыс. м3 (рис.1), который на сегодняшний день практически полностью заполнен.
Рис. 2. Шламоотстойник Шархинского карьера объемом 5 тыс. м3
Отсутствие экологически приемлемых условий для захоронения шламов на южном берегу Крыма (западная зона Алушты), вызывает необходимость поиска путей утилизации шлама.
Анализ публикаций
Научные школы Ю.М.Баженова, П.П. Будникова, В.Т.Ерофеева, П.Г.Комохова, Л.Б.Сватовской, Т.М.Петровой, В.И. Соломатова и других ученых выполнили обширные исследования в области использования отходов в производстве строительных материалов. На основе их исследований созданы методики прогнозирования прочностных характеристик бетонов, изготавливаемых на основе техногенного сырья, изучены процессы
кристаллизации при введении в цемент тонкодисперсных техногенных продуктов, разработаны технологические процессы изготовления строительных материалов на основе побочных продуктов различных производств [1].
В работе [2] исследован процесс формирования структуры газобетонных изделий на основе тонкодисперсных отходов камнедробления горных пород, принципиально отличающихся по химическому и минеральному составу от традиционно применяемых наполнителей для производства ячеистых бетонов. При этом установлено следующее: тонкодисперсные отходы камнедробления горных пород могут быть эффективно использованы взамен традиционно применяемых кремнеземистых наполнителей при изготовлении ячеистых бетонов.
Анализируя ряд исследований [3,4,5,6] можно заключить, что одним из наиболее перспективных направлений утилизации шламовых отходов промывки отсевов является их использование в производстве строительных материалов, например, в качестве наполнителя-пластификатора цементных масс для производства стеновых строительных изделий. Однако при таком способе утилизации количество перерабатываемого шлама незначительно и не может решить экологические проблемы, связанные с увеличением объема шламонакопителей.
Таким образом, существующий опыт переработки высокодисперсных шламовых продуктов в строительные материалы свидетельствует о том, что наиболее эффективным способом увеличения объемов утилизации является полусухое прессование мелкоштучных стеновых материалов.
Цель и задачи исследования
Специфические свойства шламов промывки дробленных магматических пород, заключающиеся в высокой дисперсности, пониженном содержании кремнезема,
пассивированная поверхность частиц и др., предопределяет неприемлемость обычной технологии их переработки при изготовлении строительных материалов. Поэтому ощущается потребность в правильном выборе технологий производства строительных материалов и изделий на их основе. Одним из перспективных направлений улучшения качества сырьевых компонентов в производстве строительных материалов является их механическая активация путем высокоскоростного измельчения или ультразвуковой обработки. При этом изменение технологических свойств сырья связано с ростом
энергии кристаллической решетки частиц, образованием дефектов структуры и других процессов, вызываемых механической
активацией. В итоге возникает необходимость поиска других технических решений его утилизации.
Целью настоящей работы является разработка эффективной технологии переработки шламовых продуктов промывки отсевов Шархинского карьера в стеновые строительные материалы с использованием метода полусухого прессования изделий.
Методы и результаты экспериментальных исследований
Шлам является отходом мокрой классификации отсевов карьера. По минеральному составу шлам в основном представлен тонкодисперсными фракциями горной породы (кварцем и полевым шпатом).
Исследуя фракционный и химический состав Шархинских шламов, можно сделать вывод, что шламы представляют собой тонкодисперсный продукт, в котором зерна менее 0,15 мм составляют 98,5-99,9%, содержание в шламе фракции менее 0,05 мм составляет 70-99% в зависимости от места отбора проб. Примерно 20% шлама представлено фракцией менее 0,01 мм.
Лабораторные исследования проводили на образцах-цилиндрах диаметром и высотой 3 см. Сырьевую смесь заданного состава готовили перемешиванием шлакопортландцемента и шлама в лабораторном смесителе. Относительная формовочная влажность смеси 10% (мас.). Образцы-цилиндры прессовали на прессе П-10 при заданном удельном давлении. После прессования образцы выдерживали в течение 28 суток во влажных условиях, а затем определяли их предел прочности при сжатии по стандартной методике.
Структуру образцов изучали с помощью электронной сканирующей микроскопии на микроскопе РЕМ-106, SELMI.
Опытно-промышленные испытания
проводили на оборудовании фирмы «Агрегат» путем формования стандартного пустотелого кирпича. Были определены физико-механические характеристики кирпича.
На первом этапе нами были проведены исследования по определению оптимального давления полусухого прессования изделий.
Результаты исследования зависимости предела прочности образцов при сжатии от удельного давления прессования и состава смеси приведены в табл.1.
Таблица 1.
Зависимость предела прочности образцов при сжатии от состава формовочной смеси и удельного давления __прессования_
Удельное давление прессования, МПа Предел прочности образцов при сжатии (МПа) состав (%, мас.)
Шлам-90%, ШПЦ-10% Шлам-80%, ШПЦ-20% Шлам-70%, ШПЦ-30%
5 2,44 4,10 9,85
10 4,77 9,91 16,97
15 7,40 13,12 21,43
20 10,11 15,20 25,50
25 11,95 16,93 28,50
30 13,51 19,82 30,81
35 13,64 20,01 31,02
40 13,72 20,07 31,17
Из формовочной смеси, содержащей шлам Шархинского карьера и шлакопортландцемент Краматорского цементного завода, прессовали образцы-цилиндры при удельном давлении 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 и 40МПа. Образцы прессовали из сырьевой смеси трех составов, включающих 10, 20, 30% по массе шлакопортландцемента, соответственно.
Данные табл. 1 свидетельствуют о существенном росте прочности образцов с увеличением давления. Причем, до давления 30МПа происходит более интенсивный рост прочности образцов с 2,44-9,85 МПа до 13,51-30,81 МПа независимо от количества шлакопортландцемента. При увеличении давления прессования более 30МПа рост прочности незначителен (до 1,5%).
Полученные экспериментальные исследования показывают, что оптимальное давление прессования составляет 30 МПа.
Для изучения одновременного влияния давления прессования и содержания
шлакопортландцемента в формовочной смеси на физико-механические свойства образцов был принят рототабельный центральный композиционный план (РЦКП) [7,8].
Стандартная методика обработки
рототабельного плана позволила вывести уравнение регрессии, описывающее аналитическую функцию изменения физико-механических свойств от исследуемых факторов.
Алгебраический полином второго порядка, описывающий зависимость прочности от давления прессования (Х1) и количества шлакопортландцемента в формовочной смеси (Х2), имеет следующий вид:
У1 = 22,14 + 1,01Х1 + 8,78Х2 -0,71X12 .
Представленное уравнение регрессии позволяет количественно оценить влияние варьирования каждого из изучаемых технологических факторов (давления прессования и количества шлакопортландцемента в формовочной смеси) на прочность образцов.
Анализ уравнения регрессии свидетельствуют о положительном влиянии роста давления прессования и содержания шлакопортландцемента в формовочной смеси на увеличение прочности образцов.
Электромикроскопические исследования
структуры цементного камня с содержанием шламовых продуктов 70,80,90% (мае.) приведены на рис. 3.
Рис. 3. Структура цементного камня с содержанием шлама
70% (а), 80% (б), 90%(в) в возрасте 28 суток
Результаты электромикроскопических
исследований показали, что структура образцов состоит из частиц шлама, продуктов гидратации шлакопортландцемента и его негидратированных зерен. Кристаллы гидросиликатов и гидроаллюминатов кальция перекрывают поровое пространство.
Образующийся при гидратации гидрооксид кальция представлен кристаллами гексагональной формы и более массивными структурами. Кристаллы новообразований равномерно распределены по массе материала и скрепляют частицы шлама в плотный и прочный конгломерат, что подтверждают результаты физико-механических испытаний образцов.
В заводских условиях была проведена опытно-промышленная проверка технологии прессования пустотелого кирпича из формовочных смесей приведенных выше составов.
Рис. 4. Оборудование для производства кирпича методом полусухого прессования и вид кирпича
Процесс формования и полученные изделия приведены на рис. 4.
Приготовленные в смесителе
принудительного действия формовочные смеси направляли в промышленный гидравлический пресс двухстороннего действия А 300-С2 фирмы «Агрегат» для прессования пустотелого лицевого кирпича размером 250 х 120 х 65 мм. Удельное давление прессования кирпича на этом прессе составляло 30МПа.
В результате опытно-промышленной проверки получен пустотелый кирпич с пределом прочности при сжатии 12,5МПа (шлам-90%, ШПЦ-10%); 20,3 МПа (шлам-80%, ШПЦ-20%) и 31,6МПа (шлам-70%, ШПЦ-30%). Лицевой кирпич из опытной партии обладал следующими физико-
механическими характеристиками: средняя плотность материала кирпича 1950 кг/м3, средняя плотность кирпича - 1400 кг/м3, водопоглощение -8%, морозостойкость не менее 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания, пустотность кирпича - 33 %.
Таким образом, результаты лабораторных и опытно-промышленных испытаний
свидетельствуют о возможности эффективной переработки шламовых продуктов промывки отсевов Шархинского карьера в качественные изделия с использованием метода полусухого прессования. При этом марка получаемого кирпича составляет М100-М300 в зависимости от количества шлакопортландцемента в сырьевой смеси.
Выводы
1. Изучено влияние полусухого прессования на прочность образцов из формовочных смесей на основе шламовых продуктов промывки отсевов Шархинского карьера. Показано, что оптимальное удельное давление прессования образцов из формовочных смесей, содержащих 10, 20, 30% шлакопортландцемента, составляет 30МПа.
2. С помощью рототабельного центрального композиционного плана проведена статическая обработка экспериментальных результатов и получено уравнение регрессии зависимости прочности образцов от давления прессования и содержания шлакопортландцемента в формовочной смеси.
3. Исследована микроструктура образцов и установлено, что полученный материал представляет собой однородный и прочный конгломерат, кристаллы новообразований равномерно распределены по массе и связывают частицы шлама.
4. Проведена опытно-промышленная проверка процесса полусухого прессования изделий из формовочных смесей на основе шлама Шархинского карьера. Установлена возможность получения высококачественного пустотелого кирпича марок М100-М300 при содержании шлакопортландцемента в смеси в пределах 10-30% (мас.)
Список литературы
1. Пахрудинов И.П. Бетоны на основе отсева щебеночных заводов [Текст]: дис. ...канд. Тех. наук: / Пахрудинов Исмаил Пирмагомедович. - Ростов-на-Дону, 2005. - 157 с.
2. Фомичева Г.Н. Неавтоклавный газобетон на основе дисперсных отходов камнедробления [Текст]: дис. .канд. тех. наук: / Фомичева Галина Николаевна. - Новосибирск, 2005. - 141 с.
3. Дворкин Л. И. Строительные материалы из отходов промышленности [Текст]: учебно-справочное пособие / Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин. - Ростов н/Д: Феникс, 2007. - 368 с.
4. Поисковые исследования по использованию шламовых продуктов промывки отсевов
Шархинского карьера в производстве строительных материалов [Текст]: научно-технический отчет № гос. регистрации 01.9.10011042 / С.В.Ефанова [и др.]. - Симферополь. : НИПКТИ строительных материалов "Укрстромниипроект", 1991. - 115 с.
5. Долгарев А.В. Вторичные сырьевые ресурсы в производстве строительных материалов [Текст]: справ. пособие / А.В. Долгарев. - М.: Стройиздат, 1990. - 456 с.
6. Пирогов Н. Л. Вторичные ресурсы: эффективность, опыт, перспективы [Текст] / Н.Л. Пирогов, С.П. Сушон, А.Г. Завалко; под ред. А.Е. Юрченко. - М. : Экономика, 1987. - 200 с.
7. Вознесенский В. А. Экспериментально -статистическое моделирование и оптимизация в материаловедении [Текст] / В. А. Вознесенский. -К., - 1993. - 16 с.
8. Ермаков С. М. Математическая теория оптимального эксперимента [Текст] / С. М. Ермаков, А. А. Жиглявский. - М. : Наука,. 1987. - 318 с.
9. Налимов В. В. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов [Текст] / В. В. Налимов, Н. А. Чернова. - М.: Наука, 1965. - 340 с.
10. Таблицы планов эксперимента для факторных и полиномиальных моделей [Текст]: учебник / В. З. Бродский [и др.]. - М.: Металлургия, 1982. - 752 с.
Elkina I.I.
RECYCLING SLIME PRODUCT SHARHINSKOGO CAREER IN THE PRODUCTION OF
BUILDING MATERIALS
Summary. The effect moist pressing on the strength of the samples based on the sludge washing products screenings Sharhinskogo career. The properties of the samples and carried out the statistical processing the experimental results, the microstructure of samples studied. Produced pilot production test dry pressing process products from molding compounds on the basis of sludge Sharhinskogo career.
Keywords: sludge, slag, dry pressing, sample cylinders, compressive strength
