CC BY
43УДК 691.311
Н.А. ГАЛЬЦЕВА, инженер (nady_19@mail.ru), А.Ф.БУРЬЯНОВ, д-р техн. наук (rga-service@mail.ru)
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
Закладочные смеси на основе синтетического ангидрита из отходов промышленности
Приведены результаты исследования для приготовления рецептур закладочных смесей типа АШЦ (ангидритошлакоцементные) с максимальным сокращением доли доменного шлака и цемента, пригодных для закладки выработанного пространства рудников. Определены оптимальные составы закладочных смесей на основе модифицированного ангидритового вяжущего с портландцементом в количестве 2,5-5% и сульфата калия в количестве 0,5-2% от массы сырья, домолотого до удельной поверхности 4500 см2/г, отвечающих всем требованиям, предъявляемым к закладочным смесям по технологическим и физико-механическим свойствам. Полученные результаты исследований показали возможность и перспективность применения модифицированного синтетического сульфата кальция в составах закладочных смесей.
Ключевые слова: синтетический ангидрит, закладочная смесь, добавки, промышленные отходы.
N.A. GALTSEVA, Engineer (nady_19@mail.ru), A.F. BURIANOV, Doctor of Sciences (Engineering) (rga-service@mail.ru) National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoye Hwy, 129337, Moscow, Russian Federation)
Stowing Mixtures on the Basis of Synthetic Anhydrite from Industrial Waste
Results of the study for the preparation of compositions of stowing mixtures of ASC (anhydrite-slag-cement) with maximal reducing the proportion of furnace slag and cement suitable for stowing of a worked-out space of mines are presented. Optimal compositions of the stowing mixtures on the basis of the modified anhydrite binder with Portland cement in the amount of 2.5-5% and potassium sulfate in the amount of 0.5-2% of raw material mass grinded until the specific surface of 4500 sm2/g have been determined; they meet all the requirements for stowing mixtures concerning their technological and physical-mechanical properties. The study results obtained show the possibility and perspectivity of using the modified synthetic potassium sulfate in compositions of stowing mixtures.
Keywords: synthetic anhydrite, stowing mixture, additives, industrial waste.
В настоящее время в РФ в качестве закладочных при заполнении выработанного пространства шахт применяют цементно-песчаные, цементно-щебеночные, ангидритошлакоцементные (АЩЦ), ангидритошлакоцементные со щебнем (АШЦЩ), шлакоцементные (ШЦ), шлакоцементные со щебнем (ШЦЩ), клинкерношла-коангидритовые (КША) и др. При этом используют природный ангидрит сульфата кальция.
Ангидритовые вяжущие используются для формования изделий исходя из того, что потеря прочности их при увлажнении происходит значительно меньше, чем у гипсовых вяжущих. Изделия из литой ангидритовой смеси обладают высокой точностью размеров, устойчивостью объема, изоляционными свойствами по отношению к теплу и ударному шуму, а также относительно низкой плотностью [1, 2].
Также при выплавке руды на заводах цветной металлургии образуется огромное количество выбросов SO2 [3]. Одним из распространенных методов утилизации SO2 на заводах цветной металлургии является их переработка в серную кислоту, применение которой в традиционных целевых продуктах не всегда экономически выгодно.
В связи с тем, что современное строительство стремится к рациональному расходованию средств и экологической безопасности, рациональнее применять в закладочных смесях синтетический ангидрит, получаемый из серной кислоты (из выбросов SO2) нейтрализацией молотым известняком.
В НИУ МГСУ проводились работы, целью которых являлось определение возможности использования синтетического ангидрита сульфата кальция в качестве ангидритового вяжущего взамен природного ангидрита [4, 5].
В исследованиях применялся синтетический ангидрит, полученный по технологии ОАО «НИУИФ» [6, 7].
На начальном этапе было изготовлено модифицированное ангидритовое вяжущее на основе синтетического ангидрита, так как исходное сырье было практически инертным. Для придания сырью вяжущих свойств и получения материала, аналогичного природному ангид-
риту, необходимо осуществить его помол до оптимальной удельной поверхности, а также ввести модифицирующие добавки.
Совместный помол предварительно высушенного исходного ангидритового вяжущего с добавками проводился в лабораторной вибромельнице. Выбор вида и количества модифицирующих добавок (катализаторов твердения) основан на практическом опыте исполнителя по разработке аналогичных вяжущих веществ, аналитическом обзоре исследований по данному направлению других авторов и методе математического планирования эксперимента.
В качестве модифицирующих добавок использовались портландцемент ПЦ 500 Д0 Н, известь гашеная, сульфат калия и Мельмент F-10. Выбор данных добавок и их дозировок в составах вяжущих основан на предварительно проведенных исследованиях, а также результатах исследования структурообразования природного ангидрита.
На основании исследований установлено, что получение ангидритового вяжущего из предоставленного сырья возможно при его дополнительном совместном помоле с портландцементом в количестве 5% и сульфатом калия в количестве 2% от массы сырья до удельной поверхности 4500 см2/г. [8].
Выбор методов испытания закладочных смесей, изготовленных из модифицированного ангидритового вяжущего и строительного песка, основывался на методических рекомендациях по контролю качества закладочных смесей и действующих нормативных документах по испытаниям строительных материалов.
Основным требованием к закладочному массиву является обеспечение устойчивости закладки в обнажениях горной выроботки, которая обеспечивается ее механической прочностью, способностью воспринимать статические и динамические нагрузки. В качестве основной характеристики для закладочных смесей принимается предел временного сопротивления при одноосном сжатии, определимый по стандартным методикам.
jV ®
июль 2016
33
Гипсовые строительные материалы
В практике ведения закладочных работ на рудниках различают нормативную, марочную, расчетно-факти-ческую и фактическую прочность закладки.
Нормативная прочность закладки — прочность, при которой возможно безопасное обнажение закладочного массива горной выработки заданных размеров (проектная характеристика, рассчитываемая в проекте для каждого конкретного случая).
Марочная прочность закладки — прочность образцов-кубов закладочной смеси в возрасте 180 сут.
Расчетно-фактическая прочность закладки определяется по результатам контрольных испытаний образцов-кубов в промежуточном возрасте 3, 7, 28 сут путем интерполяции по набору прочности определенного вида закладки по формуле:
где К, — прочность закладки в расчетном сроке, МПа; Т?180 — прочность закладки в возрасте 180 сут, МПа; а и Ь — эмпирические коэффициенты для определенного вида составов закладочных смесей.
Фактическая прочность закладки определяется путем испытаний образцов, отобранных непосредственно из массива закладки.
Нормативная прочность закладки, определяемая расчетными методами, зависит от условий работы закладочного массива, его размеров и окружающего пространства. В качестве базовых требований по прочности разрабатываемых закладочных смесей предлагается принять ориентировочные данные, основанные на реализованных проектах закладочных работ на Норильском горнометаллургическом комбинате, приведенные в табл. 1—3.
Кроме нормативных требований по прочности получаемые закладочные смеси должны обладать технологическими свойствами, обеспечивающими их транспортировку и укладку.
Обычно регламентируются следующие технологические параметры закладочных смесей (без крупного заполнителя или с содержанием мелкого заполнителя): осадка эталонного конуса (полное погружение) 9—14 см; растекаемость смеси из вискозиметра Суттарда 13—20 см; коэффициент расслаиваемости не более 1,3; схватывание смеси не раньше 2 ч с момента затворения; водоотдача от закладочного массива не более 2%. Также в практике производства закладочных работ используются и смеси с меньшей подвижностью.
В связи с тем, что в качестве вяжущего материала для изготовления закладочных смесей используется синтетический ангидрит, дополнительным параметром, определяемым в исследовании, является водостойкость — отношение прочности при сжатии водонасыщенных образцов и образцов в состоянии естественной влажности. Контроль данного параметра обусловлен условиями эксплуатации закладочных смесей.
Общие предлагаемые требования к закладочным смесям, которым должны удовлетворять разрабатываемые составы, приведены в табл. 4.
Для получения составов закладочных смесей со средней прочностью в водонасыщенном состоянии порядка 10 МПа были разработаны составы закладочных смесей с дополнительным содержанием цемента и шлака. Исследуемые составы на основе синтетического ангидрита были разработаны на основе существующих решений по производству закладочных смесей из природного ангидрита, а также с учетом данных испытаний модифицированного вяжущего из синтетического ангидрита [8].
Испытаниями подтверждено, что дополнительное введение портландцемента приводит к увеличению водостойкости закладочной смеси, а ее прочность остается на том же уровне.
В результате проведенных исследований получены два состава закладочных смесей на основе модифици-
рованного ангидритового вяжущего с портландцементом в количестве 2,5—5% и сульфата калия в количестве 0,5—2% от массы сырья, домолотого до удельной поверхности 4500 см2/г, отвечающих всем требованиям, предъявляемым к закладочным смесям по технологическим и физико-механическим свойствам.
Первый состав закладочной смеси содержит (на 1 м3): цемент — 22 кг; модифицированное вяжущее — 840 кг; песок — 840 кг; вода — 370 л. Свойства закладочной смеси: плотность — 2040 кг/м3; погружение конуса — 14 см; растекаемость (по расплыву смеси из вискозиметра Суттарда) — 12 см; водоотделение — 0,1%; прочность в возрасте 1 сут — 6—11,1 МПа; прочность в возрасте 7 сут
Таблица 1
Требования к прочности закладочных смесей
Высота обнажения закладки в стене выработки, м Нормативная прочность закладки, МПа
до 10 1
до 20 1,5
до 30 2
до 40 2,5
до 50 3
Таблица 2 Требования к прочности закладочных смесей
Ширина пролета выработки, м Нормативная прочность закладки, МПа
до 4 2
до 6 3
до 8 4
до 10 6
Таблица 3
Требования к прочности закладочных смесей
Ширина пролета выработки, м Нормативная прочность (коэффициент запаса 3), МПа Нормативная прочность (коэффициент запаса 2), МПа
4 2,5 2
5 3 2,5
6 4 3
7 5 4
8 6 5
9 7 6
10 8 7
Таблица 4
Требования, предъявляемые к закладочным смесям
Наименование характеристики Значение
Марочная прочность в возрасте, МПа 7 сут 28 сут 180 сут 0,3-3 0,5-5 1-10
Осадка конуса, см: - для мелкозернистых составов - для составов с крупным заполнителем 9-14 Не менее 15
Растекаемость для мелкозернистых составов, см Не менее 13
Коэффициент расслаиваемости Не более 1,3
Схватывание смеси, ч Не ранее 2
Водоотделение, % Не более 2
34
июль 2016
®
- 15,1—24,1 МПа; прочность в возрасте 7 сут в водона-сыщенном состоянии — 8,3—14,5 МПа; коэффициент размягчения — 0,55—0,6.
Второй состав закладочной смеси (на 1 м3 смеси): модифицированное вяжущее — 740 кг; песок — 1110 кг; вода — 350. Свойства закладочной смеси: плотность — 2150 кг/м3; погружение конуса — 14 см; растекаемость (по расплыву смеси из вискозиметра Суттарда) — 12 см; водоотделение — 0,3—0,8%; прочность в возрасте 1 сут — 3—5,3 МПа; прочность в возрасте 7 сут — 10—10,7 МПа;
Список литературы
1. Федорчук Ю.М. Техногенный ангидрит, его свойства, применение. Томск: ТГУ, 2003. 108 с.
2. Garkavi M.S., Garkavi S.Z, Dolzhenkov A.N., Makaro-va O.A. Anhydrite Floors for Civil Construction. In 14. Internationale Baustofftagung "Ibausil". TagungsberichtBand 2. Weimar. 2000, pp. 0865-0870.
3. Нафталь М.Н., Илюхин И.В., Шестакова Р.Д., Козлов А.Н. Альтернативные направления утилизации серы и газов металлургического производства // Цветные металлы. 2009. № 8. С. 41-47.
4. Гальцева Н.А., Бурьянов А.Ф., Булдыжова Е.Н., Соловьев В.Г. Использование синтетического ангидрита сульфата кальция для приготовления закладочных смесей // Строительные материалы. 2015. № 6. С. 76-77.
5. Гальцева Н.А., Бурьянов А.Ф., Булдыжова Е.Н. Исследование свойств и перспективы применения вяжущего на основе синтетического ангидрита // Научное обозрение. 2015. № 22. С. 157-161.
6. Патент РФ № 2445267. Способ получения сульфата кальция / Гриневич А.В., Киселев А.А., Бурьянов А.Ф., Кузнецов Е.М., Мошкова В.Г. Заявл. 23.07.2010. Опубл. 20.03.2012. Бюл. № 8.
7. Гриневич А.В., Киселев А.А., Бурьянов А.Ф., Кузнецов Е.М. Получение синтетического ангидрита сульфата кальция из концентрированной серной кислоты и молотого известняка // Строительные материалы. 2013. № 11. С. 16-19.
8. Булдыжова Е.Н., Гальцева Н.А., Бурьянов А.Ф. Модификация структуры ангидритовых и гипсовых вяжущих веществ. Сборник трудов XVIМеждународной научно-практической конференции «Строительство — формирование среды жизнедеятельности». М.: МГСУ. 2013. С. 468-470.
прочность в возрасте 7 сут в водонасыщенном состоянии — 5,2—6,4 МПа; коэффициент размягчения — 0,52—0,6.
Разработанные составы строительных растворов с вяжущим на основе синтетического ангидрита возможно скорректировать с учетом свойств местных заполнителей (песка) и получить требуемые физико-механические характеристики, при этом одновременно решая вопросы энергоэффективности, рационального применения промышленных отходов и экологии в отдельных районах нашей страны.
References
1. Fedorchuk Yu.M. Tekhnogennyi angidrit, ego svoistva, primenenie [Technogenic anhydrite, its properties, application]. Tomsk: TGTU. 2003. 108 p.
2. Garkavi M.S., Garkavi S.Z., Dolzhenkov A.N., Makarova O.A. Anhydrite Floors for Civil Construction. In 14. Internationale Baustoffiagung "Ibausil". TagungsberichtBand 2. Weimar. 2000, pp. 0865-0870.
3. Naftal' M.N., Ilyukhin I.V., Shestakova R.D., Kozlov A.N. Technogenic anhydrite, its properties, application. Tsvetnye metally. 2009. No. 8, pp. 41-47. (In Russian).
4. Gal'tseva N.A., Bur'yanov A.F., Buldyzhova E.N., Solov'ev V.G. The Use of Synthetic Calcium Sulfate Anhydrite for Production of Filling Mixtures. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 6, pp. 76-77. (In Russian).
5. Gal'tseva N.A., Bur'yanov A.F., Buldyzhova E.N. Research of properties and prospect of the application knitting on the basis of synthetic anhydrite. Nauchnoe obozrenie. 2015. No. 22, pp. 157-161. (In Russian).
6. Patent RF 2445267. Sposob polucheniya sulfata kal'tsiya [Way of receiving sulfate of calcium]. Grinevich A.V., Kiselev A.A., Bur'yanov A.F., Kuznetsov E.M., Moshko-va V.G. Declared 23.07.2010. Published 20.03.2012. Bulletin No. 8. (In Russian).
7. Grinevich A.V., Kiselev A.A., Bur'yanov A.F., Kuzne-tsov E.M. Production of Synthetic Anhydrite Calcium Sulfate from Concentrated Sulfuric Acid and Flour Limestone. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 11, pp. 16-19. (In Russian).
8. Buldyzhova E.N., Gal'tseva N.A., Bur'yanov A.F. Modification of structure the anhydrous and the plaster knitting substances. Collection of works XVI of the International scientific and practical conference «Construction — Formation of the Environment of Activity». Moscow: MGSU. 2013, pp. 468-470. (In Russian).
Институт строительных материалов им. Ф.А. Фингера (FIB) Университета Bauhaus-Universität г. Веймар (Германия)
организует III Веймарскую гипсовую конференцию
F1 B Гипс в строительстве, и не только
Гипсовая конференция проводится в Веймаре в третий раз и за это время стала площадкой для широкого научного обмена идеями в области вяжущих на основе сульфата кальция и их применения учеными и инженерами стран востока и запада
г. Веймар (Германия) 14-15 марта F01B г.
Основные темы конференции:
• Вяжущие вещества на основе сульфата кальция • Другие виды применения сульфата кальция
• Вяжущие вещества, содержащие сульфат кальция • Сульфаты кальция и сохранение исторического
• Гидратация и переработка наследия
• Добавки и их эффект • Изделия на основе сульфата кальция
• Стройматериалы и изделия на основе сульфата кальция и их безотказное длительное использование
В рамках конференции будет проходить специализированная выставка. Заявки компаний на участие в выставке принимаются до 14 октября 2016 г.
Заявки на участие в конференции с докладами принимаются до 25 октября 2016 г. Планируется синхронный перевод: немецкий, английский, русский.
ibausil@uni-weimar.de ibausil@uni-weimar.de ibausil@uni-weimar.de
G tPOMZAh'Abtë jV ®
июль 2016
35
