Перспективы создания геосинтетических вяжущих из высокодисперсных горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективы создания геосинтетических вяжущих из высокодисперсных горных пород

порода горный вяжущий гравелитовый

Калашников В.И. д-р техн. наук, Хвастунов В.Л.

канд. техн. наук, доцент, Мороз М.Н. инженер,

Калашников С.В. инженер, Дудукин М.А. инженер,

Кудашов В.Я. инженер

Пензенский государственный университет

архитектуры и строительства

Получение геосинтетических вяжущих из горных пород предусматривает использование химических активизаторов, в основном щелочного типа и модифицирующих добавок. Такое направление, развиваемое кафедрой ТВКиВ Пензенского ГУАС, позволило в последние годы получить обезнадеживающие результаты по созданию вяжущих из силицитовых (кремнеземистых и глауконитовых песчаников), гравелитовых, диоритовых, базальтовых пород или их комбинаций [1,2].

Были получены безобжиговые водостойкие вяжущие средней и высокой прочности от 40 до 150 МПа и более в зависимости от вида щелочного активизатора, модификатора для связывания свободной кремнекислоты и вида тепловой обработки (пропаривания, сухой прогрев). Однако получение геосинтетических вяжущих на воде без химических активизаторов твердения и модификаторов состава и структуры до настоящего времени представляло не решенную задачу. Хотя многие ученые изучали гидравлическую активность горных пород и отходов промышленности, прежде всего отходов ГОКов. В 1933 г М.Ф.Медведев первым обратил внимание на наличие вяжущих свойств у отходов асбестообогатительных фабрик [3], в 1951 г О.П. Мчедлов-Петросян исследовал вяжущие свойства серпентина, подвергнутого обжигу при 1000°С, в 1953г П.И. Боженов и B.C. Сальникова [3] исследовали возможность исследования широкого круга силикатов магния и их аналогов, содержащихся в горных породах и попутных продуктах промышленности, для производства различных строительных материалов. Их исследования были сосредоточены на изучении поведения тонких порошков чистых минералов, в основном силикатов и алюмосиликатов магния, в условиях нормального твердения и при гидротермальной обработке, в том числе и автоклавной. Причем безводные минералы испытывались без термической обработки, водные - обезвоживались при температуре от 100 до 800 °С. Результаты испытаний затворенных водой тонкоизмельченных природных силикатов показали, что происходит их схватывание и твердение с формированием прочности в нормальных условиях До 2,3 -2,9 МПа, в условиях автоклавной обработки до 25,3-28,7 МПа.

В работах Юнга В.Н. совместно с Бубениным И.Г. [4] были изучены разнообразные горные породы с точки зрения их гидравлической активности, причём их внимание в большей степени привлекли те породы, которые, во-первых, являлись отходами производства, а во-вторых, породы, которые в процессе переработки и обогащения подвергались измельчению или даже перемолу в порошкообразное состояние, что естественно облегчало возможность их использования для производства вяжущего материала и строительных изделий. В таблице приводятся характеристики горных пород и отходов производства, отобранных для их исследования на гидравлическую активность.

Для определения активности порошков их подвергали выщелачиванию 5% раствором соды, определяли общее количество поглощённого гидрата окиси кальция, выражаемого в мг СаО на один грамм порошка. Результаты испытаний свидетельствовали о том, что тонкие порошки при взаимодействии с водой и раствором извести способны образовывать цементирующий гель при комнатной температуре.

Однако при обычных температурах твердения удовлетворительного эффекта удалось добиться на прессованных образцах при давлении 100 кг/см2, так как отдельные частицы порошков в таких образцах достаточно сближены и плёнки коллоидальных новообразований на поверхности зёрен способны слиться в общую цементирующую массу.

В таблице приведены обобщённые результаты проведённых исследований, т.е. приводится химический и минералогический состав порошков горных пород минералов, прочностные характеристики затворённых водой вяжущих на их основе в различные сроки твердения, а также с использованием в качестве добавок к ним 25 % гидратной извести и 5 % гипса. Образцы от момента изготовления до их испытания твердели в эксикаторах над водой.

По результатам проведённых исследований Юнг В.Н. сделал вывод о том, что порошки горных пород, особенно из дунита и натролита (состав 1,7; табл. 1) при твердении с водой при комнатной температуре имеют гидравличность, которая в значительной степени увеличивается при введении в состав порошков добавок в виде гидрата извести и гипса.

Для выяснения структуры затвердевших порошков горных пород были изготовлены и проанализированы тонкие микрошлифы из образцов трёхмесячного возраста. Так, например, при рассмотрении тонкого шлифа из затвердевшего порошка дунита, затворенного водой без добавок установлено, что образец состоит из большого количества обломков кристаллов оливина размерами от 0,01 до 0,08 мм, значительного количества зёрен магнетита и меньшего количества обломков волокнистых кристаллов серпентина.

Таблица

Прочностные показатели горных пород

Цементирующей массой является субмикроскопическое зернистое изотропное, слегка буроватое вещество. Обломки кристаллов оливина, магнетита, серпентина и других минералов равномерно распределены в цементирующей массе и отделяются прослойкой толщиной от 0,005 до 0,015 мм. Также отмечено, что отчётливой границы между кристаллами оливина и цементирующей массой не обнаружено, причём эта масса занимает около 36% объёма затвердевшего твёрдого тела. В тонком микрошлифе из затвердевшего порошка отходов хризотиласбеста обнаружено большое количество обломков волокнистых кристаллов серпентина, магнетита, оливина и небольшие скопления мелкокристаллического карбоната, сцементированных субмикроскопически зернистой изотропной массой.

В цементирующей массе наблюдаются мелкие зёрнышки карбоната, а также равномерно распределённые обломки кристаллов серпентина, магнетита и оливина с толщиной прослоек от 0,005 до 0,1 мм. Размеры обломков кристаллов колеблются от 0,003 до 0,03 мм.

Приведенные результаты показали способность тонкоизмельчённых порошков горных пород к гидравлическому твердению, причём применение различных добавок (извести, гипса и др.), усиливающих процесс гидратации и формирования коллоидных новообразований, увеличивает количество минералов, способных дать при тонком перемоле вяжущие вещества.

Образцы из отходов дунита и хризотиласбеста с прочностью 15-22 МПа можно использовать, например, для производства прессованных строительных изделий и деталей (плитки, блоки и т.п.).

Новые уникальные результаты, полученные нами при изучении гидравлических свойств тонкозернистой волокнистой модификации кремнезема - халцедона Иссинского месторождения Пензенской области. Эта порода по происхождению относится к колломорфной, образовавшаяся в результате затвердевания коллоидного раствора. Истинная плотность ее составляет 2,56 г/см3, твердость по шкале Маосса - 6,5. Для изучения гидравлической активности халцедон измельчали до удельной поверхности 300 и 900 м2/кг. На первой стадии изучили реологические свойства суспензии халцедона с дисперсностью 900 м2/кг в присутствии зарубежных и отечественных суперпластификаторов на меламиновой основе СМF-10, Меlment F-10), поликарбоксилатной (Melflux PP 100 F, Melflux PP 1641 F, Woerment FM 787) и нафталинсульфокислотной основе (С-3). Дозировка суперпластификатора составляла 1% в пересчете на сухое вещество от массы халцедона. Суперпластификатор вводился с водой затворения. Выявлено, что из совокупности горных пород - диабаза, песчаника кремнеземистого, песчаника глауконитового, гранита, диорита, халцедон является чрезвычайно высокоизбирательной горной породой по отношению ко всем указанным суперпластификатором. Водоредуцирующий эффект суспензии халцедона достигает трехкратного значения. Водо-твердое отношение контрольной суспензии, равное 0,5, снижается до 0,18 при сохранении гравитационной растекаемости при предельном напряжении сдвига 10-15 Па. Такое снижение водосодержания позволило методом литья суспензии с СП С-3 изготовить образцы-кубы с размерами 30 Ч 30 Ч 30 мм.

Образцы в первоначальный период до 3-х суток твердели в естественно-воздушных условиях, а затем в воде в течение 25 суток. В 28-ми суточном возрасте образцы были испытаны на осевое сжатие. Их прочность составила 44 МПа, что значительно выше прочностных показателей отверждённых горных пород, представленных в таблице. Прочностные показатели халцедона, затворенного водой с суперпластификатором С- 3, значительно превышают прочность силикатов магния и их аналогов [3], твердевших в условиях автоклавной обработки.

Попытка понизить водоудержание халцедоновой суспензии путем замены (на 60% по массе) высокодисперсного порошка с удельной поверхностью 900м2/кг на халцедон с Sуд=300 м2/кг, не позволила получить заметного позитивного результата: водотвердое отношение понизилось с 0,180 до 0,165. Несмотря на понижение водосодержания, образцы из такой смеси имели низкую прочность, как при твердении на воздухе и размучивались в воде. Это позволило высказать гипотезу о том, что присутствие более грубомолотого халцедона отрицательно сказалось на «наработке» коллоидной фазы, цементирующей композицию.

Предположительно цементирующим веществом является кремнекислота, в связи с тем, что содержание кремнезема в халцедоне по результатам химического анализа составляло 96,7 %. Можно полагать, что к формированию твердеющей структуры с водой способны и другие породы колломорфного происхождения, что требует дополнительных исследований.

Список литературы

1. Калашников В.И. Перспективы развития геополимерных вяжущих. //Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения: Восьмые академические чтения РААСН. - Самара, 2004. - с. 193-196.

2. Калашников В.И., Хвастунов В.Л., Карташов А.А., Мороз М.Н. и др. Новые геополимерные материалы из горных пород, активизированные малыми добавками шлака и щелочей//Современное состояние и перспектива развития строительного материаловеления: Восьмые академические чтения отделения строительства наук РААСН. - Издательство Самарского государственного архитектурно-строительного университета. - Самара, 2004. - с. 205-209.

3. Боженов П.И. Комплексное использование минерального сырья и экология.-М: изд-во АСВ, 1994.-264 с.

4. Юнг В.Н. Основы технологии вяжущих веществ. М.:Госстройиздат.-1951.-547 с.

Размещено на Allbest.ru