CC BY
18УДК 666.9
Е.В. ФОМИНА, канд. техн. наук (fomina.katerina@mail.ru), Н.И. КОЖУХОВА, инженер,
Ю.В. ПАЛЬШИНА, инженер, В.В. СТРОКОВА, д-р техн. наук, А.Е. ФОМИН, магистрант (fomin.alex@mail.ru)
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46)
Влияние механоактивации на размерные параметры алюмосиликатных пород*
Исследовано изменение размерной гетерогенности механоактивированных алюмосиликатных пород природного и техногенного генезиса. Установлено, что все рассматриваемые природные сырьевые алюмосиликатные компоненты отличаются полиминеральным составом со значительным содержанием аморфного кремнезема. Различия минералого-генетических характеристик алюмосиликатных пород, содержание аморфной составляющей и предварительная термообработка оказывают влияние на вариативность размерных параметров сырья при механоактивации. Проведена кинетика механического воздействия на материал, обусловленная повышением размолоспособности, изменением гранулометрии с существенным возрастанием удельной поверхности. Полученные результаты позволяют управлять размерными параметрами сырья при механоактивации, что является важным фактором повышения активности и реакционной способности материала, а также оптимизации режима помола. Показана целесообразность применения алюмосиликатных пород с позиции снижения энергоемкости на технологической стадии подготовки сырья - помол.
Ключевые слова: алюмосиликатное сырье, дисперсность, механоактивация, размерная гетерогенность.
E.V. FOMINA, Candidate of Sciences (Engineering) (fomina.katerina@mail.ru), N.I. KOZHUKHOVA, Engineer, J.V. PALSHINA, Engineer, V.V. STROKOVA, Doctor of Sciences (Engineering), A.E. FOMIN, MA Student (fomin.alex@mail.ru)
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (46, Kostyukov Street, Belgorod, 308012, Russian Federation)
Effect of Mechanical Activation on Dimensional Parameters of Alumino-Silicate Rocks*
The change in the dimensional heterogeneity of mechanically activated alumino-silicate rocks of natural and anthropogenic genesis has been studied. It is established that all the analyzed natural raw alumino-silicate components differ in polymineral composition with a high content of amorphous silica. Differences in mineral-genetic characteristics of alumino-sili-cate rocks, content of the amorphous component and preliminary thermal treatment influence on the variability of dimensional parameters of the raw material in the course of mechanical activation. The kinetics of mechanical effect on the material due to the improvement of grindability, change in the granulometry with a significant increase in the specific surface was conducted. The results obtained make it possible to control dimensional parameters of the raw material in the course of mechanical activation that is an important factor of improving the activity and reaction capacity of the material as well as optimization of grinding conditions. The feasibility of using alumino-silicate rocks from the position of reducing the energy intensity at the technological stage of the raw material preparation - grinding - is shown. Keywords: alumino-silicate raw material, dispersion, mechanical activation, dimensional heterogeneity.
Одним из важнейших факторов, определяющих структурно-обусловленные свойства композиционных вяжущих, является фазово-размерная гетерогенность (ФРГ) сырьевых компонентов. ФРГ сырья различного генезиса определяет его различное энергетическое состояние и, как следствие, реакционную способность в физико-химических процессах при твердении вяжущих [1]. Активное влияние на параметры ФРГ минеральных систем оказывает механоактивационное воздействие. Механоактивация является инструментом достаточно тонкого управления размерными, фазовыми и реакционными параметрами традиционно применяемого кварцевого материала [2]. В то же время по результатам авторских исследований в составах композитов вяжущих актуально использование нетрадиционных видов алюмосиликатных пород природного и антропогенного происхождения с высоким содержанием аморфной фазы, которые являются более реак-ционноспособными в сравнении с кристаллическим
кварцем [3] и активно участвуют в структурообразова-нии портландцементных [4], известково-кремнеземных [5] и геополимерных вяжущих [6, 7]. Использование природных тонкодисперсных алюмосиликатов позволяет не только расширить сырьевую базу, но и дает возможность решить вопросы ресурсосбережения и снизить экологический прессинг за счет использования невостребованных техногенных попутно добываемых пород. Алюмосиликатные материалы отличаются высокой степенью размолоспособности, поэтому информация по изменению размерных параметров при механической обработке является важной для корректировки технологического процесса с учетом снижения его энергоемкости.
Целесообразность данного исследования связана с изучением изменения размерной гетерогенности алю-мосиликатных пород природного и антропогенного генезиса при механоактивации и обусловлена рациональным выбором нетрадиционных сырьевых материалов с
Таблица 1
SiO2 AI2O3 Fe2O3 СаО MgO TiO2 K2O Na2O Н2О SO3 ППП
Кварцевый песок 92,76 2,37 0,77 1,89 0,2 - - - - 0,05 1,96
Перлит 70,4 12,85 0,95 0,95 0,15 0,04 3,9 3,59 5 - 2,17
Аргиллит мас. % 67,14 21,57 0,02 0,78 0,28 - 1,3 1,26 - - 7,65
Опока 74,55 6,75 4,56 1,75 0,7 0,05 1,1 1,38 4,88 0,03 4,25
Цеолитизированный туф 59,72 11,2 0,99 2,4 1,73 0,12 1,05 2,84 8,15 - 11,8
* Работа выполнена в рамках: Гранта Президента Российской Федерации МК 6170.2013.8; программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова.
* The work is made within the frame of the Grant of the President of the Russian Federation MK 6170.2013.8; programs of strategic development of V.G. Shukhov Belgorod State Technological University.
28
октябрь 2014
iA ®
Таблица 2
Алюмосиликатная порода Содержание аморфной фазы, %
Перлит 98,45
Аргиллит 50,83
Опока 47,81
Цеолитизированный туф 34,9
Таблица 3
Минерал Удельная поверхность, м2/кг, при времени помола, ч
1 2 4 6
Кварцевый песок 274 354 417 520
Перлит 429 722 743 798
Цеолитизированный туф 365 517 657 747
Опока 332 423 533 678
Опока термоактивированная 412 576 673 732
Аргиллит 352 483 497 620
возможностью снижения энергоемкости на технологической стадии подготовки сырья — помол.
Объектом исследования были выбраны широко распространенные алюмосиликатные породы: магмато-генно-эффузивные — перлит Мухор-Талинского месторождения (Бурятия); осадочного происхождения — цео-литизированные туфы месторождения Хонгуруу (Якутия), аргиллит и опока, являющиеся техногенными попутно добываемыми породами добычи угля Коркин-ского угольного разреза. Для сравнения использовали кварцевый песок Нижне-Ольшанского месторождения. Химический состав материалов представлен в табл. 1.
В рамках проведенных работ для исследования влияния термоактивации на изменение размерных параметров алюмосиликатов при механической обработке использовалась модифицированная опока, полученная путем обжига при температуре 600оС с временем выдержки 40 мин [5].
Все рассматриваемые природные сырьевые алюмоси-ликатные компоненты отличаются полиминеральным составом со значительным содержанием аморфного кремнезема. Наличие аморфной фазы является одним из основополагающих факторов фазово-размерного эффекта в алюмосиликатах, определяющим энергетическое состояние породы и, как следствие, реакционную способность в физико-химических процессах при твердении вяжущих. Определение концентрационных показателей аморфной составляющей в изучаемых породах осуществлялось на основании данных рентгенофазового анализа с помощью программы FuИProf (табл. 2).
Как известно [8], содержание аморфной составляющей является залогом высокоэнергетического состояния материала, что стимулирует процесс механоактивации.
С целью корректного сопоставления результатов исследуемые породы были измельчены до начального значения величины удельной поверхности 100 кг/м2. Дисперсионный анализ пород проводился после механо-активации в планетарной мельнице. Для активации использовались стальные шары с диаметром 5 мм; отношение массы вещества к массе шаров 1:20. Выходными параметрами являлись удельная поверхность и размер частиц.
Исследование кинетики изменения удельной поверхности проводилось в течение 6 ч помола с контрольными точками после 1, 2, 4 и 6 ч диспергирования (табл. 3).
Изменение удельной поверхности материалов при достаточно продолжительном механоактивационном воздействии показывает, что алюмосиликатные материалы различного генезиса отличаются высокой размоло-способностью в сравнении с кварцевым песком. Достижение удельной поверхности 300—400 м2/кг при всех равных условиях во всех алюмосиликатах наступает уже через час активации материала. Алюмосиликатная порода с максимальным содержанием аморфной фазы — перлит обладает самой высокой размолоспособностью.
Несмотря на очевидные изменения удельной поверхности, гранулометрия алюмосиликатов с течением времени помола изменяется незначительно. Анализ распределения частиц по размерам осуществлялся методом лазерной гранулометрии. Кривые дифференциального распределения частиц по размерам представлены на рис. 1.
Наибольшие возрастания удельной поверхности перлита относительно слабо сказываются на кривой
распределения частиц по размерам. Концентрация частиц перлитовой породы варьируется в широком диапазоне от 0,25 до 100 мкм и остается в таком же диапазоне при помоле в течение 4 и 6 ч, что свидетельствует о постоянстве полидисперсности материала (рис. 1, б).
В опоке преобладают составляющие органического происхождения, в том числе гелифицированные углеродистые компоненты. График распределения частиц опоки носит прерывистый характер, первый пик в области размера частиц 1—2 мкм и второй — в области 5—25 мкм. Содержание органогенных продуктов (остатков диатомовых водорослей) обусловливает наличие высокодисперных частиц в области 1—2 мкм, количество которых с течением времени помола увеличивается (рис. 1, в).
Термоактивация опоки является существенным фактором изменения размерных параметров после механической обработки, сопровождающего возрастанием удельной поверхности (табл. 3) и смещением основной массы частиц в область размеров 10—12 мкм (рис. 1, г). Постепенная дегидратация глинистых минералов и перестройка их структуры при воздействии высокой температуры приводят к повышению пористости и появлению высокодисперсных новообразований.
Укрупнение частиц при термическом воздействии объясняется их агрегированием, которое становится возможным из-за избытка внутренней энергии в системе, возникающего в результате дегидратации слоистых алюмосиликатов [9]. Механоактивация оказывает влияние на изменение размеров частиц. При длительной активации (4—6 ч) увеличивается концентрация частиц размером от 1 до 11 мкм.
Гранулометрический состав аргиллита в течение всего времени механоактивации изменяется незначительно, и при длительности 4—6 ч небольшое количество частиц размером 5—7 мкм смещается в область меньших показателей 1—2 мкм. Аргиллит содержит значительное количество глинистой составляющей, для которой характерно наличие как отдельных частиц глинистых минералов, так и агрегатов, которые в свою очередь, могут иметь различную дисперсность без преобладания каких-либо конкретных фракций (рис. 1, д).
Размерная область частиц цеолитизированной породы при механоактивации остается однородной. В данной породе в сравнении со всеми рассматриваемыми материалами содержится 34,9 % аморфной фазы (табл. 2), но при этом кинетика изменения удельной поверхности материала происходит в достаточно высоких областях и содержатся частицы размером до 1 мкм, что не исключает присутствия наноразмерных частиц (рис. 1, е).
Высокая размолоспособность сырьевых компонентов актуальна для решения вопросов снижения энергозатрат самого продолжительного и энергоемкого технологического передела — помола и сокращения продол-
Ы ®
октябрь 2014
29
Рис. 1. Гранулометрический анализ пород: а - кварцевый песок; б - перлит; в - опока, г - опока термоактивированная; д - аргиллит; е - цеолити-зированный туф
жительности технологического цикла получения вяжущего. Согласно полученным данным максимальное снижение энергоемкости в сравнении с кварцевым песком составляет до 40% (рис. 2).
Таким образом, в ходе проведенных исследований было установлено, что различия минералого-генетических характеристик алюмосиликатных пород, содержание аморфной составляющей и предварительная термообработка оказывают влияние на размерные параметры сырья при механоактивации, приводят к возрастанию удельной поверхности материала, изменению гранулометрического распределения частиц, что является важным фактором не только для повышения активности и реакционной способности, но и оптимизации режима помола.
Следует отметить, что изучение размерной гетерогенности механоактивированных алюмосиликатов различного генезиса является предметом дальнейшего исследования.
и кварцевый ПЕСОК и перлит
У цсол шифрованны йтуФ
■ ОПОЯ!
Ы опоклтермоактывироыннм
Ы ¿рГИЛЛНТ
Рис. 2. Энергоемкость помола алюмосиликатных пород в сравнении с кварцевым песком
научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::
30 октябрь 2014 ' Ы ®
Список литературы
1. Жерновский И.В., Строкова В.В. К проблеме фазово-размерной гетерогенности минерального сырья как фактора структурообразования строительных материалов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2013. № 31-2. С. 112-118.
2. Жерновский И.В., Строкова В.В., Бондаренко А.И., Кожухова Н.И., Соболев К.Г. Структурные преобразования кварцевого сырья при механоакти-вации // Строительные материалы. 2012. № 10. С. 56-59.
3. Лесовик В.С., Алфимова Н.И., Яковлев Е.А., Шейченко М.С. К проблеме повышения эффективности композиционных вяжущих // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2009. № 1. С. 30-33.
4. Носова А.Н. Фомина Е.В. Термоактивация опал-кристобалитовой породы — отхода Коркинского угольного месторождения // Технические науки — от теории к практике: Сб. материалов конф. XXIV Междунар. заоч. науч.-практ. конф. Новосибирск. 7 августа 2013 г. № 24. С. 106—111.
5. Ходыкин Е.И., Фомина Е.В., Николаенко М.А., Лебедев М.С. Рациональные области использования сырья угольных разрезов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2009. № 3. С. 125—128.
6. Фомина Е. В., Кожухова М.И., Кожухова Н.И. Оценка эффективности применения алюмосили-катной породы в составе композиционных вяжущих // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. № 4. С. 31—35.
7. Войтович Е.В., Кожухова Н.И., Жерновский И.В., Череватова А.В., Нецвет Д.Д. Концепция контроля качества алюмосиликатных вяжущих негидратаци-онного твердения // Строительные материалы. 2013. № 11. С. 68—70.
8. Ходаков Г.С. Тонкое измельчение строительных материалов. М.: Стройиздат, 1972. 240 с.
9. 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.
Реклама А Ульяновская область, 20км от г.Ульяновска
ПРОДАЁТСЯ земельны! 140 га с разведанным объемом 9 ООО ООО 1 л участок ГЛИНЫ И3
ООО "ПРЕМЬЕРА" +7 (929) 798-55-62
References
1. Zhemovsky I.V., Strokova V.V. About problem of phase-size heterogeneity of mineral raw as factor of structural formation of construction materials. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arkhitektu-ra. 2013. No. 31-2, pp. 112-118. (In Russian).
2. Zhernovsky I.V., Strokova V.V., Bondarenko A.I., Kozhukhova N.I., Structural transformations of silica raw material in the course of mechanical activation. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials] 2012. No. 10, pp. 56-59. (In Russian).
3. Lesivik V.S., Alfimova N.I., Yakovlev E.A., Sheichenko M.S. About problem of enhancement of efficiency of composite binders. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova. 2009. No. 1, pp. 30-33. (In Russian).
4. Nosova A.N., Fomina E.V. Thermal activation of opal-cristobalite rock — waste of Korkin's coal mine. Technical sciences — from theory to practice: Proceeding of XXIV International virtual research and practice Conference. Novosibirsk. 2013. No. 24, pp. 106-111. (In Russian).
5. Khodyikin E.I., Fomina E.V., Nikolaenko M.A., Lebedev M.S. Rational areas of application of coal strip mine raw. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova. 2009. No 3, pp. 125-128. (In Russian).
6. Fomina E.V., Kozhukhova N.I., Kozhukhova M.I. Estimation of efficiency of application of aluminosilicate raw in composite binders. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova. 2013. No. 4, pp. 31-35. (In Russian).
7. Voitovich E.V., Kozhukhova N.I., Zhernovsky I.V., Cherevatova A.V., Netsvet D.D. Concept of quality control of aluminum silicate binders of non-hydration hardening. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 11, pp. 68-70. (In Russian).
8. Khodakov G.S. Tonkoe izmel'chenie stroitel'nykh mate-rialov [Fine finding of construction materials]. Moscow: Stroizdat.1972. 240 p.
9. Lebedev M.S, Strokova V.V., Zhernovsky I.V., Potapo-va I.Y. Change of properties of mineral powders prepared from aluminosilicate raw material under influence of thermal modification. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 9, pp. 68-70. (In Russian).
октябрь 2014
31
