Главная страница
Сведения об авторах

Изучение возможности применения отходов угледобычи в стройиндустрии

Хоботова Э. Б., Уханёва М. И., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, Украина

Отвалы угледобывающей отрасли — многотоннажные промышленные отходы. Породы терриконов неоднородны по составу и степени обжига, поэтому перед переработкой необходимо их минералогическое исследование.

Цель работы — изучить минералогический состав и гидравлические свойства отвальных пород шахт «Хмельницкая» и им. Я. М. Свердлова Луганской области и оценить возможность их использования в производстве строительных материалов.

По результатам рентгенофазового анализа, выполненного на порошковом дифрактометре Siemens D500, в кристаллической части отвальных пород присутствуют: кварц SiO₂; клинохлор (Mg,Fe)₆(Si,Al)₄O₁₀(OH)₈ (хлорит); мусковит K_0,94Na_0,06Al_1,83Fe_0,17Mg_0,03(Al_0,91Si_3,09O₁₀)(OH)_1,65O_0,12F_0,23 (слюда). По массе преобладает мусковит, затем следуют кварц и клинохлор. Клинохлор и мусковит относятся к глинистым минералам, применяемым в производстве цементного клинкера.

Содержание элементов в кристаллическом и стеклообразном состояниях исследовано путем электронно-зондового микроанализа INCA на сканирующем электронном микроскопе JSM-82G, результаты которого для неуглеродной части породы представлены в табл. 1. Остальную часть породы составляет углерод, что свидетельствует о малой степени ее обжига в терриконе.

Таблица 1

Относительное содержание оксидов элементов в неуглеродной части отвальных пород и их классификация по системе модулей

Рекомендуемые количества оксидов Аl₂O₃ и Fе₂O₃ в сырьевом компоненте клинкера колеблются соответственно в интервалах 1,16—20,28 и 4,04—9,15 %. В обеих исследуемых породах превышено содержание оксида Аl₂O₃, в породе шахты им. Я. М. Свердлова — Fе₂O₃. Массовые доли СаО, MgO и SiO₂ соответствуют рекомендуемым значениям. Малое количество основных оксидов кальция и магния и большое кислых оксидов кремния и алюминия свидетельствуют о кислой природе отвальных пород, которая не меняется и после прокаливания.

Для изучения поведения минералов и аморфной фазы отвальных пород при высокой температуре, например, в условиях обжига сырьевой смеси производства цементного клинкера, проведено прокаливание при температуре 1 580 °С в течение 10 ч в окислительной среде O₂ и СO₂. Оксидный состав образцов после прокаливания приведен в табл. 1.

По результатам петрографического исследования (табл. 2), проба спеченного шлака шахты им. Я. М. Свердлова представлена материалом черного цвета.

Таблица 2

Проба неоднородна по микроструктуре и состоит из корунда, железистых шпинелидов (магнетит) и стеклофазы (рис. 1). Корунд присутствует в виде зерен неправильной формы размером до 3,2 мм. Количество корунда меняется в интервале 15–20 %.

Стекло бесцветное, желтоватое, участками буроватое, средний показатель светопреломления 1,525 ± 0,005.

В стекле наблюдаются выделения железистых шпинелидов, по составу близких к магнетиту FeO · Fe₂O₃, в виде дендритных, скелетных форм и идиоморфных кристаллов размером 10–40 мкм. Различаются редкие тонкие игольчатые кристаллы муллита 3Аl₂O₃· 2SiO₂ длиной до 150 мкм.

Проба спеченного шлака шахты «Хмельницкая» характеризуется присутствием обломков черного цвета с бурыми полосами. Основную массу пробы (рис. 2) составляет стеклофаза (от бесцветной до желтовато-буроватой, желтовато-зеленоватой) со средним показателем светопреломления 1,535 ± 0,005.

В стекле наблюдаются выделения кристаллов муллита до 6 мм в длину при ширине 4—20 мкм. Минимальный показатель преломления муллита 1,658, максимальный до 1,69. Количество муллита в шлаке колеблется от 5—10 до 50—60 %.

На некоторых участках обнаружены перистые выделения пироксенов: диопсида СаO·MgO·2SiO₂ и геденбергита  СаO·FeO·2SiO₂. Также присутствуют железистые шпинелиды, по составу близкие к магнетиту, образующие кристаллы размером до 20 мкм. Встречаются следы (менее 1 %) округлых металловидных выделений (Fе), толочней рутила (TiO₂) и зерен гематита.

Близость минералогических составов портландцементного клинкера и отвальной породы делает возможным ее использование в производстве цемента. Однако при этом необходимо учитывать ряд факторов, в том числе скорость взаимодействия компонентов с СаО.

Гидравлическая активность отвальной породы определена по количеству поглощенной извести. В насыщенном растворе извести плотностью 0,995 г/см³ с исходной концентрацией 5,625 % выдерживали навеску измельченной шахтной породы массой 10 г. Содержание активного СаO в растворе через 1 и 3 сут определяли титриметрическим методом по ГОСТ 22688-77. Экспериментальные результаты представлены в табл. 3.

Таблица 3

Активность пород по поглощению СаО

Поглотительная способность изученных шахтных пород сравнима с показателями гидравлических добавок (трепелов, диатомитов, опок) — 250–400 мг/г. Столь высокая величина свидетельствует о значительной гидравлической активности и возможности использования шахтных пород в качестве активных добавок к цементному клинкеру.

Гидравлическая активность пород определяется не только содержанием оксидов элементов, но и их соотношениями, описываемыми системой модулей (см. табл. 1). Согласно величине модуля активности М_а, порода шахты им. Я. М. Свердлова относится к 1-му сорту кислых шлаков (М_а > 0,4), шахты «Хмельницкая» — ко 2-му (М_а > 0,33).

Для использования отходов в производстве строительных материалов значение силикатного модуля М_с должно быть 1,7—3,5. Высвобождение оксида Al₂O₃ после прокаливания породы шахты им. Я. М. Свердлова несколько уменьшает величину М_с (до 1,08).

Интервал изменения глиноземистого модуля М_г пород, применяемых для получения клинкера, — 1,0—2,5. При прокаливании изучаемых пород значение М_г превышает границу оптимального интервала.

Классификация образцов как железистых пород показывает, что они относятся к высокоак­тивным, при этом глинитно-железистьгй модуль М_ж > 0,49. Более активной является спеченная порода шахты им. Я. М. Свердлова.

Таким образом, высокие концентрации стеклофазы, оксидов алюминия и железа (III), боль­шие значения модулей М_г, М_гж, высокие гидравлические свойства пород обусловливают возможность их применения в производстве глиноземистого цемента, в качестве корректирующих или активных добавок к портландцементному клинкеру. Использование отходов угледобычи позволит обеспечить стройиндустрию легкодоступным и дешевым минеральным сырьем и улучшить экологическую обстановку в регионе.