Сведения об авторах

Горелая порода как активная минеральная добавка к цементу

 

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

Объем использования отходов угольного производства не превышает 7 %. Горелые породы (ГП) терриконов  —  один из их  видов крупнотоннажных отходов угледобывающей отрасли. Возможности применения ГП в производстве строительных материалов весьма разнообразны. В то же время химико-минералогическая неоднородность ГП обусловливает необходимость проведения полного комплекса экспериментальных исследований их состава и свойств в каждом конкретном случае.

Цель работы — повышение объемов утилизации ГП на примере террикона шахты «Ольховатская» (Донецкая область) за счет усовершенствования состава вяжущего, содержащего в качестве гидравлически активного компонента ГП.

С использованием сцинтилляционного гамма-спектрометра СЕГ-001 «АКП-С» определены удельные активности естественных радионуклидов и средняя эффективная удельная активность (С_эф.) различных фракций ГП. Согласно величине С_эф. представительная проба ГП (251 Бк/кг) и ее отдельные фракции (240–305 Бк/кг) относятся к I классу радиационной опасности строительных материалов, для которого С_эф. не должна превышать 370 Бк/кг. Подобные материалы можно использовать в строительстве без ограничения.

На сканирующем электронном микроскопе в составе ГП зарегистрированы элементы: Si (18,37–26,98 %); Fe  (8,4–16,2 %); Al  (7,45–11,64 %) ; Na  (0,23–0,68 %) ; Mg (0,35–0,56 %); K (0,91–3,55 %); Ca (0,22–3,06 %); Ti (0,54–0,92 %); Mn (0,00–0,17 %); S — (0,47–1,72 %).

Минералогический состав ГП изучен методом рентгенофазового анализа на порошковом дифрактометре Siemens D500 в медном излучении с графитовым монохроматором. Минералогический состав ГП определяли для образцов трех фракций  > 20 мм,  < 0,63 мм и 2,5–5,0 мм соответственно с самой низкой (240 Бк/кг), самой высокой (305 Бк/кг) и средней (264 Бк/кг) удельной радиоактивностью. В составе ГП обнаружены следующие минералы: кварц SiO₂ (33,7–46,5 %); брушит CaHPO₄∙2H₂O (0,55–10,30 %); гематит Fe₂O₃ (2,96–7,79 %); альбит 0,5Na₂O∙0,5Al₂O₃∙3SiO₂ (2,3–8,8 %); иллит 0,5K₂O∙2Al₂O₃∙2SiO₂∙1,5H₂O (39,4–51,1 %).

Основные минеральные компоненты образцов ГП — кварц и гидроксоалюмосиликат калия, содержание которых выше в крупных фракциях, чем в мелкой. Незначительное количество гидрофосфата кальция и алюмосиликата натрия содержится преимущественно в мелкой фракции; при этом алюмосиликата натрия нет в крупной фракции. Несгоревший уголь и колчеданы отсутствуют, что является положительным фактом с точки зрения использования ГП в качестве  компонента вяжущего.

Химический состав не является исчерпывающей характеристикой для оценки качества ГП. Важные показатели — химическая и гидравлическая активности, которые можно оценить системой модулей. Оксидные составы фракций ГП, рассчитанные согласно микрорентгеновскому и рентгенофазовому анализам, и модульная классификация приведены в таблице.

Содержание оксидов во фракциях ГП шахты «Ольховатская» и модули фракций

 

Согласно модульной классификации, химическая активность пород тем больше, чем выше модуль активности М_а = (Al₂O₃)/(SiO₂) и ниже силикатный модуль М_с = (SiO₂)/(Al₂O₃). Силикатный модуля (табл. 1) ниже предела для кислых скрытоактивных пород, равного 2,4.

Классификация образцов по активности как железистых ГП (М_г.ж. = (Al₂O₃+Fe₂O₃)/(SiO₂)) показывает, что все три фракции можно отнести к высокоактивным (М_г.ж. > 0,45). Согласно результатам микрорентгеновского анализа, наиболее активна фракция > 20 мм. Высокая активность фракций определяется присутствием аргиллитов, что подтверждается минералогическим составом породы, наличием алюмосиликатов натрия (альбит) и калия (иллит).

Гидравлическая активность ГП обусловлена содержанием в них активных форм SiO₂, Al₂O₃ и Fe₂O₃, вступающих в реакцию с CaO. Навеску измельченной ГП массой 10 г выдерживали в насыщенном растворе извести с начальной концентрацией 5,625 % и плотностью 0,995 г/см³. Через 24 ч поглотительная способность ГП шахты «Ольховатская» составляла 211,4 мг/г, а через 3 сут — 323,4 мг/г. Полученные результаты сравнимы с количественными показателями (250 и 400 мг/г) для кислых гидравлических добавок — опаловидных пород (трепелов, диатомитов, опок). Высокая поглотительная способность свидетельствует о значительной гидравлической активности и возможности использования ГП в качестве активной добавки к цементному клинкеру.

Высокая гидравлическая активность ГП подтверждена в опытах по определению адсорбционной активности спектрофотометрическим методом на приборе SPEKOL 11 при поглощении метиленового синего (МС) из раствора с исходной концентрацией 0,01 г/л  (λ = 620 нм). Минимальное время контакта навески адсорбента 0,5 г с раствором метиленового синего объемом 50 мл составляло 15 мин. Образец ГП предварительно измельчали до прохождения через сито 0,125 мм.

Изменение оптической плотности раствора индикатора по сравнению с начальным значением 1,1 при концентрации метиленового синего 0,01 г/л лежит в интервале 0,610–1,096. За 3 сут оптическая плотность уменьшается на 99,6 %. По разнице оптических плотностей исследованную породу можно отнести к группе адсорбентов, которые характеризуются очень высокой адсорбционной активностью и величиной емкости поглощения 5–30 мг-экв. О высокой сорбционной емкости ГП свидетельствует величина эффективности сорбционной очистки раствора индикатора: в течение 15 мин она достигает 59 %, за сутки выходит на максимально высокое значение 97,5 %.

Высокие значения гидравлической и адсорбционной активности позволяют рассматривать ГП как активную минеральную добавку к цементам и активный минеральный адсорбент — микронаполнитель для асфальтовых вяжущих.

 

Таким образом, разделять ГП на фракции нецелесообразно, поскольку их  химический состав и гидравлические свойства отличаются незначительно.

 

Испытаны образцы комплексного вяжущего с содержанием ГП 10, 20, 30, 40 и 50 %, остальное — портландцементный клинкер. Формовали образцы путем виброуплотнения и прессования.

Испытания образцов нагрузкой проводили в соответствии с ГОСТ 310.4-81  «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии». Зависимость прочности при сжатии образцов комплексного вяжущего от содержания ГП при формовании виброуплотнением через 3, 7 и 28 сут показана на рис. 1.

 

 

Рис. 1. Зависимость прочности при сжатии образцов комплексного вяжущего от содержания ГП при формовании виброуплотнением

 

Рисунок 2 иллюстрирует зависимость прочности при сжатии образцов комплексного вяжущего от содержания ГП при формовании прессованием.

 

 

 

Рис. 2. Зависимость прочности при сжатии образцов комплексного вяжущего от содержания ГП при формовании прессованием

 

Независимо от условий формования стабилизация показателей прочности при сжатии образцов происходит в диапазоне 10–30 % ГП в составе вяжущего.

Таким образом, введение ГП как гидравлически активного компонента комплексного вяжущего в диапазоне 10–30 % не ухудшает физико-механические свойства вяжущего.

Результаты работы позволяют решить следующие задачи:

— получить вяжущее, отвечающее требованиям радиационной безопасности и соответствующее по физико-механическим свойствам марке 400;

— увеличить объемы утилизации крупнотоннажных отходов угледобычи;

— расширить сырьевую базу и снизить расходы на производство вяжущих материалов.

Burnt Rock as an Active Mineral Additive for Cement

 

Ukhanyova M. I., Khobotova E. B., Kharkiv National Automobile and Highway University, Kharkiv, Ukraine

 

The perspectives to increase the level of burnt rock utilization as a result of complex binder composition improvement are considered. The mineralogісal and radionuclide compositions of size fractions of burnt rock are determined. The high hydraulic and adsorption activity of burnt rock and possibility to use it as an active mineral component of complex binder in a quantity 10–30 % are shown.