CC BY
111
13. Цементационное получение «мастер-сплава» из фторидно-хлоридных расплавов / С.П. Яценко, Б.В. Овсянников, М.А. Ардашев, Н.А. Сабирзянов // Расплавы. 2006. № 5. С. 29-36.
14. Шмигидин Ю.И. Разделение суспензий в глиноземном производстве / Ю.И. Шмигидин. СПб.: ВАМИ, 2002. 240 с.
15. Липин В.А. Некоторые особенности карбонизации необескремненных алюминатных растворов // Цветные металлы. 1998. № 7. С. 40-43.
16. Николаев И.В. Разработка научных основ и создание технологии комплексной переработки бокситового сырья: авторефер. дис. ... докт. техн. наук. М.: МИСиС, 2001. 57 с.
17. Хайрулина Р.Т., Захарова В.И., Каравайко Г.И. Кислотное вскрытие красного шлама продуктами микробного происхождения с извлечением скандия и иттрия // Цветные металлы. 2005. № 11. С. 67-70.
Сведения об авторах
Скачков Владимир Михайлович,
к.х.н., Институт химии твердого тела УрО РАН, г.Екатеринбург, Россия, [email protected] Пасечник Лилия Александровна,
к.х.н., Институт химии твердого тела УрО РАН, г.Екатеринбург, Россия, [email protected] Пягай Игорь Николаевич,
к.х.н., Институт химии твердого тела УрО РАН, г.Екатеринбург, Россия, [email protected] Яценко Сергей Павлович,
д.х.н., Институт химии твердого тела УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия, yatsenko@ihim. uran.ru Skachkov Vladimir Mikhailovich,
PhD (Chemistry), Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of the RAS, Yekaterinburg, Russia, [email protected] Pasechnik Liliya Alexandrovna,
PhD (Chemistry), Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of the RAS, Yekaterinburg, Russia,
Pyagay Igor Nikolaevich,
PhD (Chemistry), Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of the RAS, Yekaterinburg, Russia,
Yatsenko Sergei Pavlovich,
Dr.Sc. (Chemistry), Institute of Solid State Chemistry of the Ural Branch of the RAS, Yekaterinburg, Russia, [email protected]
УДК 666.952
ВЯЖУЩИЕ КОМПОЗИЦИИ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ДОБАВКАМИ МЕЗОПОРИСТОГО КРЕМНЕЗЕМА
В.В. Тюкавкина, А.Г. Касиков, Б.И. Гуревич
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН, Апатиты, Россия
Аннотация
Изучено влияние кремнезема, полученного при выщелачивании магнезиально-железистого шлака, на свойства мелкозернистого бетона. Определено оптимальное время ультразвукового диспергирования порошков кремнезема. Показано, что порошки кремнезема являются эффективными ускорителями гидратации и твердения цемента. Наибольший прирост прочности достигается при совместном использовании диспергированного кремнезема и поликарбоксилатного суперпластификатора Glenium® АСЕ 430 при снижении водоцементного отношения. Прочность при сжатии цементного камня в начальные сроки твердения увеличивается на 56-80%, при изгибе - на 15-55%. Ключевые слова:
кремнезем, ультразвуковое диспергирование, поликарбоксилатный суперпластификатор, цементный камень, прочность.
CEMENTING COMPOSITES MODIFIED BY MESOPOROUS SILICA
V.V. Tyukavkina, A.G. Kasikov, B.I. Gurevich
I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Kola Science Centre of the RAS, Apatity, Russia
584
Abstract
The effect of silica, obtained in the process of magnesium-ferriferous slag leaching, on the properties of fine-grained concrete has been investigated. Optimal time for ultrasound dispersion of silica powder has been determined. It has been shown that silica powders are effective in accelerating the cement hydration and hardening. Gaining in strength is the greatest when using dispersed silica together with Glenium® АСЕ 430 polycarboxylate superplasticizer and diminishing the water-cement ratio. The compressive strength of cement stone at the initial curing stage increases by 56-80%; bending strength - by 15-55%.
Keywords:
silica, ultrasound dispersion, polycarboxylate superplasticizer, cement stone, strength.
Современные тенденции развития строительного материаловедения связаны с необходимостью разработки новых ресурсосберегающих технологий получения композиционных материалов, в том числе цементных бетонов с повышенными эксплуатационными характеристиками и долговечностью. Использование мезопористых материалов, имеющих размер пор в интервале 2-50 нм и обладающих высокой удельной поверхностьюот 50 до 1000 м2/г, дает возможность получения новых улучшенных характеристик строительных материалов и способов эффективного влияния на эти способы. Большинство работ, направленных на улучшение характеристик бетона, связано с применением ультрадисперсных кремнеземсодержащих добавок. Наиболее доступными и дешевыми материалами для получения кремнеземсодержащих добавок могут служить промышленные отходы.
В ИХТРЭМС в лабораторных условиях при выщелачивании отвальных магнезиально-железистых шлаков комбината «Печенганикель» АО «Кольская ГМК» растворами соляной и серной кислот были получены порошки аморфного кремнезема с высокой удельной поверхностью 193-750 м2/г, диаметром пор 3.65-15.22 нм и глубиной пор - 3.77-10.97 нм. Частицы SiO2 имеют сильно разрыхленную поверхность, слипаются в конгломераты размерами от 3 до 300 мкм [1].
Выполненные ранее эксперименты показали, что введение порошков кремнезема в систему портландцемент - песок - вода приводит к повышению прочности при сжатии на 12-24% при массовом содержание добавки начиная с тысячных долей процента по отношению к цементу. Однако зависимость прочностных свойств вяжущего от массового содержания добавки носит немонотонный характер, что, по-видимому, связано с неравномерным распределением частиц кремнезема по объему бетона [2]. Вместе с тем известно, что для устранения агломерации и максимального разделения частиц в среде-носителе часто используют ультразвуковую обработку, длительность которой не превышает 20-30 мин [3, 4].
В данной работе изучено влияние диспергированных порошков кремнезема, полученных при выщелачивании отвальных магнезиально-железистых шлаков на свойства мелкозернистого бетона. Свойства порошков кремнезема, используемых в работе, приведены в табл. 1.
Таблица 1. Физико-химические показатели кремнеземсодержащих добавок
Показатель Вид добавки
после сернокислотного выщелачивания шлака после солянокислотного выщелачивания шлака
Внешний вид Белый порошок Серый порошок
Структура Аморфная Аморфная
Содержание SiO2, мас. % 78.8 78.3
Н2О (по данным ДТА) 8.36 8.91
ПИП (по данным ДТА) 16.4 13.9
Удельная поверхность, м2/г 502 276
Объем пор, см3/г 0.278 0.717
Средний диаметр пор, нм 3.15 12.20
Средняя глубина пор, нм 2.97 7.93
Для устранения агломерации и максимального разделения частиц SiO2 порошки кремнезема были подвергнуты ультразвуковому диспергированию (УЗД) при помощи ультрозвукового диспергатора УЗД2-0.1/22 с рабочей частотой 22 кГц. Для определения оптимального времени ультразвукового диспергирования использовали водный раствор порошка кремнезема с концентрацией 0.1% в пересчете на сухое вещество, время УЗД составляло 5-20 мин с интервалом в 5 мин. Эффективность диспергированных порошков кремнезема была оценена в составе мелкозернистого бетона при соотношении цемента к песку 1:3. В работе использовали портландцемент СЕМ II/A-V 42.5R (Норвегия) и кварцевый песок с модулем крупности 2.54. При приготовлении образцов размерами 40x40x160 мм порошки диоксида кремния вводили в воду, подвергали УЗД и затем вводили в цементно-песчаную смесь, водоцементное отношение составляло 0.50, образцы твердели в воде.
В соответствии с полученными результатами оптимальное время диспергирования, при котором цементный камень через 28 сут твердения имеет максимальную прочность при сжатии, для порошка
585
кремнезема, полученного при солянокислотном выщелачивании шлака, составило 15 мин, при этом прочность увеличилась на 21%. Для порошка кремнезема, полученного при сернокислотном выщелачивании, - 20 мин, прочность возросла на 15% (рис.). Для порошка кремнезема, имеющего более развитую пористую поверхность и образующего конгломераты до 300 мкм требуется более длительное диспергирование.
—О— Проба
■Проба
1
2
Время УЗД, мин
Определение оптимального времени УЗД: проба 1 - SiO2 после солянокислотного выщелачивания шлака; проба 2 - SiO2 после сернокислотного выщелачивания шлака
Далее было изучено влияние содержания диспергированной добавки кремнезема на свойства цементнопесчаной композиции при оптимальном времени УЗД (табл.2). Содержание кремнеземсодержащей добавки в составе вяжущего изменялось от 0.005 до 5 мас. % от массы цемента, водоцементное отношение составляло 0.5.
Таблица 2. Влияние добавки кремнезема на прочностные свойства мелкозернистого бетона
Содержание SiO2, мас. % Предел прочности, МПа через ... сут твердения, прирост (+) по отношению к цементу
при изгибе при сжатии
3 7 28 3 7 28
SiO2 после солянокислотного выщелачивания шлака
- 6.5 6.4 8.1 30.2 37.5 44.0
0.1 6.1 7.1 8.2 (+1) 32.3 (+7) 37.7 (+1) 53.4 (+21)
1 6.3 7.1 8.4 (+4) 34.5 (+14) 41.2 (+10) 50.5 (+15)
3 6.1 7.2 8.3 (+3) 36 (+19) 42.8 (+14) 51.0 (+16)
5 6.6 7.5 9.2 (+14) 38.5 (+27) 47.6 (+27) 54.5 (+24)
SiO2 после сернокислотного выщелачивания шлака
0.005 5.9 6.5 7.4 36.0 (+19) 40.4 51.2 (+17)
0.01 6.4 6.0 7.8 33.9 41.2 50.8 (+16)
0.1 5.8 6.7 7.2 34.5 40.0 50.1 (+15)
1 6.6 6.9 8.5 34.9 40.8 52.8 (+20)
5 5.5 4.6 7.3 33.6 39.2 54.8 (+25)
Проведенные исследования показали, что при введении диспергированной добавки кремнезема в количестве 0.005-0.1 мас. % от массы цемента марочная прочность при сжатии цементного камня повышается на 15-17%, при увеличении добавки до 5 мас. % прирост прочности составил 24-25%.
Улучшение свойств бетона при введении нанодисперсных добавок, по мнению ряда исследователей, возможно при снижении водоцементного отношения и одновременном использовании пластифицирующих добавок [5, 6]. В работе использовали пластифицирующую добавку на основе эфира поликарбоксилата Glenium® АСЕ 430, которую вводили в цементный раствор, модифицированный добавкой диспергированного кремнезема в количестве 0.6-1.0% от массы цемента. Эксперименты показали, что снижение водоцементного отношения и совместное введение добавок кремнезема и суперпластификатора в систему портландцемент -песок - вода приводит к повышению прочности при сжатии после 28 сут твердения в воде на 35-46%, при изгибе - на 32-41% (табл.3). Наибольший прирост прочности цементного камня наблюдается в начальные сроки твердения: после 3 сут твердения прочность при сжатии увеличивается на 56-80%, при изгибе - 15-55%.
586
Таблица 3. Влияние кремнезема и суперпластификатора на прочностные свойства мелкозернистого бетона
Содержание добавки, мас. % В/ц Предел прочности, МПа через ... сут твердения, прирост (+) по отношению к цементу
SiO2 Glenium при изгибе при сжатии
3 7 28 3 7 28
- - 0.5 6.5 6.4 8.1 30.2 37.5 44.0
- 0.67 0.4 5.8 6.0 6.1 39.5 (+31) 41.0 (+9) 46.3 (+5)
SiO2 после солянокислотного выщелачивания
0.05 0.67 0.42 10.1(+55) 8.3 (+28) 8.6 (+32) 51.8 (+71) 60.3 (+61) 61.0 (+39)
0.3 1.0 0.40 9.7 (+49) 8.2 (+26) 8.7 (+33) 51.7 (+71) 55.8 (+49) 60.2 (+37)
1.0 0.8 0.44 9.3 (+43) 8.4 (+28) 8.9 (+37) 60.2 (+99) 61.0 (+63) 62.5 (+42)
5.0 1.0 0.43 8.3 (+28) 8.6 (+32) 8.8 (+35) 51.2 (+69) 63.0 (+68) 64.4 (+46)
SiO2 после сернокислотного выщелачивания
0.3 0.67 0.43 8.8 (+35) 8.7 (+33) 9.1 (+33) 54.3 (+80) 55.0 (+47) 63.3(+44)
1 0.67 0.45 7.7 (+18) 9.3 (+43) 9.2 (+41) 49.0 (+62) 55.0 (+47) 59.9 (+36)
3 0.67 0.47 7.5 (+15) 8.4 (+28) 8.8 (+35) 47.0 (+56) 50.2 (+34) 59.5 (+35)
Исследования физико-химических процессов гидратации и продуктов твердения цементного камня, модифицированного добавкой мезопористого кремнезема, показали, что SiO2 оказывает ускоряющее действие на гидратацию силикатов кальция и образование гидросиликатов кальция, а также способствует уменьшению Са(ОН)2.
Таким образом, проведенные исследования показали, что порошки кремнезема, полученные при переработке магнезиально-железистого шлака, являются ускорителями гидратации и твердения цемента и бетона на его основе. Наибольшее улучшение строительно-эксплуатационных свойств мелкозернистого бетона достигается при совместном использовании кремнезема и суперпластифицирующей добавки при одновременном снижении водоцементного отношения. Применение таких добавок позволит экономить цемент и при этом получать быстротвердеющие композиции.
Литература
1. Получение аморфного кремнезема из шлаков цветной металлургии и его использование для магнезиальных вяжущих / В.В. Тюкавкина, А.Г. Касиков, Б.И. Гуревич, Е.А. Майорова // Химическая технология. 2014. № 3. С. 167-172.
2. Использование порошков кремнезема, полученных после выщелачивания магнезиально-железистых шлаков, в качестве добавок в вяжущие материалы / В.В. Тюкавкина, А.Г. Касиков, Б.И. Гуревич, Е.А. Майорова // Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренц-региона в технологии строительных и технических материалов: материалы V Всероссийской науч. конф. с междунар. участием (Апатиты ,12-15 ноября 2013 г.). Апатиты: КНЦ РАН, 2013. С. 115-117.
3. Пономарев А.Н. Нанобетон: концепция и проблемы. Синергизм наноструктурирования цементных вяжущих и армирующей фибры // Строительные материалы. 2007. № 6. С. 69-71.
4. Королев Е.В., Кувшинова М.И. Параметры ультразвука для гомогенизации дисперсных систем с наноразмерными модификаторами / Строительные материалы. 2010. № 9. С. 60-62.
5. Брыков А.С., Камалиев Р.Т., Мокеев М.В. Влияние ультрадисперсных кремнеземов на гидратацию портландцемента // ЖПХ. 2010. Т. 83, № 2. С. 211-216.
6. Повышение эффективности вяжущих за счет использования наномодификаторов / В.В.Лесовик, В.В.Потапов, Н.И.Алфимов, О.В.Ивашов // Строительные материалы. 2011. № 12. С. 85-88.
Сведения об авторах
Тюкавкина Вера Владимировна,
к.т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН,
г.Апатиты, Россия, [email protected] Касиков Александр Георгиевич,
к.х.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, [email protected] Гуревич Бася Изоаилевна,
к.т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия
Tyukavkina Vera Vladimirovna,
PhD (Engineering), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, [email protected]
587
Kasikov Aleksandr Georgievich,
PhD (Chemistry), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, [email protected] Gurevich Basia Izrailievna,
PhD (Engineering), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia
УДК 504.55.054:622
ИНСТИТУЦИОНАЛЬНЫЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ РАЗРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИЯ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПЕРЕАБОТКИ ОТХОДОВ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Г.Н. Харитонова
Институт экономических проблем им.Г.П.Лузина КНЦ РАН, Апатиты, Россия Аннотация
В статье анализируются проблемы управления обращением с отходами горнопромышленного производства на федеральном, региональном и муниципальном уровнях; акцент сделан на проблеме научного обеспечения переработки отходов горнопромышленного производства. Обосновываются предложения по оптимизации государственного регулирования проблемы обращения с отходами горнопромышленного производства с учетом особенностей проблемы в Арктической зоне Российской Федерации и экономической ситуации в стране.
Ключевые слова
государственное управление, обращение с отходами производства, концепции обращения с горнопромышленными отходами, экономическое стимулирование разработки новых технологий, Арктическая зона России.
INSTITUTIONAL AND ECONOMIC BARRIERS FOR DEVELOPMENT AND INTRODUCTION OF NEW PROCESSING TECHNOLOGIES OF THE MINING INDUSTRY WASTES
G.N. Kharitonova
G.P.Luzin Institute for Economic Studies of the Kola Science Centre of the RAS, Apatity, Russia Abstract
The article analyses challenges of mining industry wastes at the federal, regional and municipal levels; the problem of scientific support to processing of the mining industry wastes is emphasized. Proposals on optimization of the state regulation of processing of the mining industry wastes have been substantiated taking into account the characteristics of the problem in the Arctic zone of the Russian Federation and the economic situation in the country.
Keywords:
state management, processing of production wastes, concepts of the mining industry wastes processing, economic stimulation of new technologies development, the Arctic zone of the Russian Federation.
Горнопромышленные отходы абсолютно преобладают в общем объеме отходов производства и потребления в каждой стране и в каждом ее регионе, где производится добыча и переработка минерального сырья. В 2013 г. их доля в целом по России составляла 88.7%, в 2014 г. в Мурманской области - 99.8% [1, 2]. Горнопромышленные отходы подтверждают вывод В.И.Вернадского о том, что человек, активно осваивая естественные ресурсы Земли и развивая внешнее тело цивилизации, постепенно становится геологической силой. [3]. «Мы присутствуем и жизненно участвуем в создании в биосфере нового геологического фактора, небывалого еще в ней по своей мощности» [4].
В настоящее время среднегодовое перемещение материала человеком при освоении месторождений полезных ископаемых, определяемое в кВ км, превосходит среднегодовое извержение лавы на дне океана и на суше, а также снос с поверхности суши. Г орнопромышленные отходы образуют новые типы антропогенных или техногенных ландшафтов: отвалы, терриконики, хвосто-, золо- и шламохранилиша, гидроотвалы и полостные захоронения.
Так называемые «положительные формы рельефа», остающиеся после производства открытых горных работ вне контуров карьеров, могут быть плоскими, платообразными или гребнеобразными в зависимости от вида добываемого минерального сырья и метода его транспортировки. В старых горнопромышленных районах высота отвалов вскрышных пород и отвалов обогащения зачастую превышает 40 и даже 60 м. Например, высота отвалов Оленегорского рудника АО "Олкон" (Мурманская область) составляет 135 м, Кировогорского рудника - 40-50 м; высота отвалов вскрышных пород рудника “Железный” АО "Ковдорский ГОК" (Мурманская область) достигает 95 м.
588
