Научные основы получения плотных, пористых заполнителей и бетонов различного функционального назначения из природного и техногенного сырья Кольского полуострова

Установлено, что если время разрушения 20% объема пены на основе ПО-6 составляет 5 мин., то бинарная смесь пенообразователя позволяет увеличить этот показатель не менее чем в 3 раза. Если время разрушения 50% объема пены с ПО-6 (W₅₀) не превышает 45 мин. (интервал 15-45 мин.), то W₅₀ для композиционного пенообразователя увеличивается более чем в 4 раза (180 мин.).

Пены на основе ПО-6, модифицированные добавкой КМЦ, характеризуются сравнительно медленным процессом синерезиса (рис. 11). Так, максимальная величина обезвоживания пен с использованием КМЦ через 5 мин. не превышает 20%, а через 15 мин. - 50%, в то время как степень синерезиса для пен на основе немодифицированного ПО-6 составляет не менее 80-95%. Показано, что для бинарного пенообразователя коэффициент стойкости пены в цементном тесте за счет модификации ПО-6 существенно возрастает с 0.7-0.8 до 0.9-0.98. Оптимальный состав композиционного пенообразователя повышенной стойкости для поризации вермикулитобетонных смесей может быть представлен следующей бинарной смесью: 3-5%-й раствор ПО-6 с добавкой 2-3% КМЦ.

Рисунок 11 - Изменение степени синерезиса пены во времени из раствора ПО-6 с добавкой КМЦ. Концентрация раствора ПО-6, %: А - 3; Б - 4; В - 5; Г - 6. Содержание КМЦ, %: 1 - 0; 2 - 2; 3 - 2.5; 4 - 3

Учитывая высокую стойкость разработанного пенообразователя, опробован одностадийный способ получения вермикулитопенобетонной смеси с использованием высокоскоростного смесителя, отличающийся от традиционного способа получения легкобетонных поризованых смесей по двухстадийной схеме, когда отдельно приготавливается пена (пеномешалка, пеногенератор) и подаётся в получаемую в смесителе вермикулитобетонную смесь. Этот способ является практически единственным при получении поризованных смесей в роторных мешалках, например широко используемых РМ-750, где ротор находится в цилиндрической части на значительной высоте от дна мешалки - выше ее конусной части. В рассматриваемом нами варианте в смеситель сначала заливается необходимое для приготовления замеса количество воды, затем добавляется раствор пенообразователя и осуществляется за счет вращения ротора взбивание пены, далее в смеситель подается цемент (при необходимости тонкомолотые минеральные добавки) и в последнюю очередь - вермикулит, что предохраняет его от интенсивного разрушения. Следует отметить, что при наличии высокостойкой пены не происходит оседания на дно мешалки цемента, как наиболее тяжелой составляющей смеси, и он равномерно распределяется в пеномассе.

На рис. 12 приведены зависимости плотностей вермикулитопенобетонной смеси (подвижность 12-14 см), вермикулитопенобетона и прочности при сжатии от расхода цемента. При расходе основных компонентов на 1м³ бетона в пределах 140-180 кг возможно получение вермикулитопенобетона с заданными свойствами: плотностью 330-390 кг/м³ и пределом прочности при сжатии 0.2-0.4 МПа. Коэффициент теплопроводности при этих плотностях составляет 0.1-0.115 Вт/(м·К). Огневые испытания подтвердили, что бетон относится к группе негорючих материалов.



Рисунок 12 - Изменение плотности бетонной смеси (1), плотности бетона (2) и прочности его при сжатии (3) в зависимости от расхода цемента. Соотношение цемент : вермикулит - 1:1 по массе. Концентрация ПО-6 - 3%, количество КМЦ - 2%

Рисунок 13 - Конструкция покрытия: 1 - профилированный настил, 2 - пароизоляция из слоя армогидробутила, 3 - утеплитель из вермикулитопенобетона, 4 - стяжка из цементно-песчаного раствора, 5 - гидроизоляционный ковер из двух слоев армогидробутила

На рис. 13 представлена конструкция кровельного покрытия с теплоизоляционным слоем из вермикулитопенобетона, опытно-промышленная проверка устройства которого осуществлялась на одном из крупных энергетических объектов Мурманской области. Объект относится к помещениям с избыточным тепловыделением и «сухим» влажностным режимом (влажность внутреннего воздуха в среднем 30%). Теплотехническим расчетом кровельного покрытия, выполненного совместно с отделом покрытий и кровель ЦНИИПромзданий с учетом требований СНиП II-3-79^**, было установлено, что при плотностях вермикулитопенобетонного утеплителя 300, 350 и 400 кг/м³ его толщина должна составлять 7, 7.5 и 8 см.

Схема получения вермикулитопенобетонных плит приведена на рис. 14. Средний расход материалов для приготовления 1 м³ смеси требуемого качества, исходя из результатов экспериментальных работ, составлял по массе 1:1:0.02:0.08:2.3 (цемент : вермикулит : ПО-6 : 10%-й раствор КМЦ : вода). Отдозированные на замес вода, пенообразователь и КМЦ (заранее готовился 10%-й раствор) подавались в скоростную

мешалку РМ-750, где за счет вращения ротора в течение 4-5 мин. взбивалась пена. Затем в мешалку последовательно и равномерно вводились цемент и вермикулит в течение 2-3 мин. каждый. Приготовленная смесь (подвижность по конусу ПГР 12-14 см) через патрубок в днище мешалки подавалась в металлическую разъемную форму-кассету размером ячейки 50х50х7.5 см (объем 18.75 л), рассчитанную на получение 16 плит из одного замеса. Предварительная выдержка плит составляла 3-4 ч, после чего изделия подвергались тепловлажностной обработке по режиму: 3-4 ч - подъем температуры до 85-90°С, 6-7 ч - изотермическая выдержка; после отключения подачи пара - остывание плит в форме до температуры 30-35°С, распалубка. Затем плиты торцом устанавливались на стеллажи, где подвергались сушке до постоянной массы с помощью агрегата АО-6.3. Средняя плотность высушенных плит 340 кг/м³, прочность при сжатии 0.3 МПа.



Рисунок 14 - Технологическая схема получения вермикулитопенобетонных плит

Опытная партия плит в количестве 80 шт. использована в качестве теплоизоляционного слоя кровельного покрытия, конструкция которого приведена на рис. 13. Перед укладкой плит на поверхность пароизоляции наносился тонкий выравнивающий слой вермикулитсодержащего раствора (аналогичного состава, использованного для получения плит), с помощью которого осуществлялась заделка швов между плитами. Поверх плит наносился слой выравнивающей стяжки из цементно-песчаного раствора М50 толщиной 5-10 мм. После затвердевания на поверхность раствора наклеивался кровельный ковер из армогидробутила. Пятнадцатилетний срок эксплуатации опытного участка площадью 20 м² показал надежность разработанного варианта кровельного покрытия с теплоизоляционным слоем из вермикулитопенобетона.

Жаростойкий конструкционно-теплоизоляционный вермикулитобетон. Основной задачей исследований являлось получение жаростойкого вермикулитсодержащего конструкционно-теплоизоляционного бетона с наименьшей плотностью, обеспечивающего регламентируемый ГОСТом 20910-90 предел прочности при сжатии не менее 1.5 МПа и максимально возможную температуру применения. Для получения жаростойкого бетона использовался вермикулит ОАО «Ковдорслюда» фракции менее 4 мм средней насыпной плотностью 150 кг/м³ и коэффициентом теплопроводности 0.063 Вт/(м·К). В качестве вяжущего применяли портландцемент М300 Пикалевского завода. Тонкомолотой добавкой, которую вводят в жаростойкие бетоны на портландцементе для связывания СаО_св при нагревании, являлась золошлаковая смесь (ЗШС) Апатитской ТЭЦ. По химическому составу ЗШС относятся к кислым золам (модуль основности менее 0.1), имеют среднюю насыпную плотность 1030 кг/м³, удельную поверхность 258 м²/кг, содержание частиц золы и шлака размером менее 0.315 мм более 85%.

Как следует из рис. 15, с увеличением доли ЗШС (от 10 до 30% по массе) в золоцементном вяжущем и повышением температуры обжига содержание СаО_св снижается. Наиболее активно СаО_св связывается в области высоких температур, достигая максимума при 1000єС. Рентгенометрические исследования подтвердили, что при использовании смешанного вяжущего содержание СаО_св уменьшается. Результаты испытаний золоцементного вяжущего с различным содержанием ЗШС на высокотемпературном микроскопе МНО-2 показали, что форма образцов без оплавления углов сохраняется до 1200єС.



Рисунок 15 - Зависимость содержания оксида кальция от температуры нагрева при различном содержании ЗШС в золоцементном вяжущем, мас.%: 1 - 10; 2 - 20; 3 - 30

При плотности вермикулитозолобетона 600 кг/м³ (в сухом состоянии) обеспечивается требуемый для класса В1 предел прочности при сжатии - 1.66 МПа. Остаточная прочность после нагрева соответствует требованиям стандарта для данного вида бетона на портландцементе, т.е. более 30%, а показатель термостойкости - 60 воздушных теплосмен - значительно превышает регламентируемую марку Т₂25. Деформация под нагрузкой после нагрева при 1000єС составила 3.6%; 4%-й деформации соответствует температура 1010єС. Таким образом, разработан жаростойкий конструкционно-теплоизоляционный вермикулитозолобетон, обеспечивающий класс И10 по предельно допустимой температуре применения.

Вермикулит как минерал слоистого строения анизотропен и имеет высокую отражательную способность от поверхности зёрен, что сказывается на характере теплопередачи вермикулитсодержащего материала. Исследования теплопроводности вермикулитобетона различной плотности показали, что использование вермикулита по сравнению с другими высокопористыми материалами, не содержащими заполнителей слоистого строения, способствует снижению коэффициента теплопроводности бетона.

На рис. 16 приведены расчетная (сплошная) линия и экспериментальная (пунктирная) линия, соответствующая вермикулитобетону (с хаотическим расположением вермикулитового заполнителя) с плотностью в диапазоне 540-660 кг/м³. Экспериментальные значения коэффициента теплопроводности вермикулитобетона оказались меньше расчетных, их разница составляет в среднем 0.007 Вт/(мК), т.е. снижается на 5.3%. Таким образом, в связи с дополнительным сопротивлением теплопередаче вследствие слоистого строения вермикулита, уточненная формула для определения коэффициента теплопроводности вермикулитобетона может быть представлена в следующем виде:

= 0.95(0.032+0.12с+0.11с²),

где с - плотность вермикулитобетона, г/см³.

Рисунок 16 - График соответствия экспериментальной и расчетной теплопроводности вермикулитобетона различной плотности, кг/м³: 1 - 540; 2 -550; 3 - 608; 4 - 650; 5 - 660

Достаточно высокая предельно допустимая температура применения жаростойкого вермикулитозолобетона (класс И10) открывает широкие возможности использования изделий из таких бетонов для высокотемпературной изоляции различных тепловых агрегатов: печей, миксеров, котельного оборудования, алюминиевых электролизеров и т.д. Расчеты, выполненные в Институте экономических проблем КНЦ РАН (научный сотрудник С.В.Бритвина), показали, что применение мелкоразмерных блоков из жаростойкого вермикулитозолобетона для футеровки ванн электролизеров экономически выгодно, особенно для алюминиевых заводов Северо-Запада России, по сравнению с шамотным огнеупорным кирпичом (поставка из Боровичей) и вариантом изоляции керамовермикулитовыми изделиями марок КВИ-500 и КВИ-600 по ТУ 21-129-88, выпускаемых научно-проектно-производственным предприятием «Техносервисвермикулит» (поставка из Уфы) и рекомендуемых для изоляции ванн электролизеров. Так, рассчитанный экономический эффект для Кандалакшского алюминиевого завода от замены применяемого для футеровки катодного кожуха электролизеров шамотного кирпича на вермикулитозолобетонные блоки составляет около 110 млн руб. (в ценах 1996 г.).

Выполнен расчет толщины изоляционного слоя из жаростойкого вермикулитозолобетона оптимального состава с плотностью 600 кг/м³ класса И10. Для варианта, когда температура на наружной поверхности изоляционного слоя 45 и 60єС, толщина слоя вермикулитозолобетона составляет 0.57 и 0.30 м соответственно.

Проведена экспериментальная проверка динамики изменения температуры вермикулитозолобетона при различной толщине изоляции (от 0.05 до 0.35 м) при температуре на горячей стороне изоляции 1000єС (рис. 17). При толщине изоляции 0.35 м не позднее чем через 2.5 ч достигается полная стабилизация теплопереноса и температура на наружной стороне изоляции составляет 52єС. Этот результат согласуется с расчетными данными.



Рисунок 17 - Изменение температуры на наружной поверхности изоляции в зависимости от времени испытания и толщины вермикулитозолобетона, м: 1 - 0.05; 2 - 0.15; 3 - 0.25; 4 - 0.35

Если принять, что на наружной поверхности максимальная температура 52єС, то расчетная толщина изоляционного слоя должна составить 0.40 м, что более чем на 12% превышает фактически полученный результат. Этот пример также подтверждает, что слоистое строение вермикулита обеспечивает более высокие теплозащитные свойства изоляции.

Разработаны вермикулитсодержащие смеси для теплоизоляции нагревательного оборудования, обладающие необходимыми формовочными свойствами при нанесении на вертикальные поверхности, а также физико-механическими и теплотехническими характеристиками. Этими смесями изолировано около 1200 м² поверхности 5 промышленных водогрейных котлов ПТВМ-30М и КВТ-50, эксплуатирующихся в системе ОАО «Апатит». Более чем 7-летний срок службы котлов свидетельствует о надежности такого вида мастичной вермикулитсодержащей изоляции, что позволяет отказаться от использования традиционно применяемых для этих целей асбестсодержащих смесей типа асбозурита и улучшить технико-экономические показатели при ремонтно-восстановительных работах котельного оборудования.

Огнезащитные вермикулитсодержащие материалы для заделки кабельных проходок через строительные конструкции. Одна из распространенных причин пожаров - возгорание электрических кабелей, по которым пламя может быстро распространиться из одного помещения в другие, что приводит ко многим человеческим жертвам и огромным материальным потерям.

В настоящей работе предлагается к рассмотрению устройство для получения противопожарных материалов и изделий требуемого качества для заделки проходок электрических кабелей (в виде специальных секционированных подушек, а также монолитной изоляции или формованными изделиями из огнезащитных смесей) на основе вермикулита Ковдорского месторождения. При разработке подушек ставилась цель получить материал многофункционального действия, наиболее соответствующий требованиям пожарной безопасности при устройстве заделок кабельных проходок, в том числе обеспечивающих: самоуплотнение при пожаре, достаточно высокий предел огнестойкости (не менее 1.5 ч), отвод тепла от кабеля в месте его заделки за счет использования плотных заполнителей, исключения из числа компонентов органических связующих и дополнительной обработки поверхности огнезащитными составами.

Применение для заполнения подушек только теплоизоляционных и самоуплотняющихся материалов, по нашему мнению, является недостаточным. Наибольшую огнезащитную эффективность должны иметь такие заполнители, которые не только обладали бы теплоизоляционными свойствами и самоуплотнялись при пожаре в месте заделки, но и имели высокую теплопроводность, обеспечивая отвод тепла от токоведущих частей кабеля, т.е. обладали теплофизической анизотропией.

В качестве основных заполнителей подушек использовались вермикулитсодержащие продукты размерами до 10 мм: вермикулитовый концентрат и вермикулит вспученный насыпной плотностью 910 и 150 кг/м³ соответственно, а также карбонатсодержащий компонент в виде доломитового песка насыпной плотностью 1700 кг/м³ - отсев при переработке на щебень доломита Титанского месторождения (Мурманская область). Благодаря высокой плотности доломита обеспечивается постоянный отвод тепла от кабеля в месте его заделки; кроме того, в случае возникновения пожара доломит, разлагаясь, будет выделять не поддерживающий горения диоксид углерода. Для наружного чехла использовали материалы, выдерживающие высокие температуры без нарушения целостности, что позволяет обойтись без применения органических связующих, предотвращающих высыпание зернистых заполнителей в случае традиционно использующейся для наружного чехла стеклоткани, разрушающейся в условиях стандартного температурного режима пожара. В этих целях для наружного чехла применялась кремнеземная ткань типа КТ.

Для обеспечения теплофизической анизотропии осуществляли секционирование подушек по длине с заполнением секций материалами с различными плотностями. Некоторые примеры осуществления заделки с применением исследуемых заполнителей и состояние заделки после огневого воздействия представлены в табл. 2 и 3. Для сравнения приведены результаты испытаний используемого для получения подушек базальтового супертонкого волокна (БСТВ) и многокомпонентной смеси для подушек производства Германии (КBS).

Как видно из табл. 3, высокая огнестойкость заделочного материала обеспечивается смесью вермикулитового концентрата (ВК) и доломита: поврежденная часть кабеля (К 23-87 НГ-10х2) после 1.5-часового испытания на огнестойкость не превысила 50% его первоначальной длины. Температура на «холодном» конце кабеля после огневого воздействия при использовании для заделки теплоизоляционных материалов БСТВ, KBS и вспученного вермикулита является по сравнению с другими составами наибольшей: 200, 178 и 160єС соответственно (как и длина обгоревшей части кабеля - 300-350 мм). Целесообразно использовать для крайних секций смесь ВК (20-85 мас.%) и доломита (80-15 мас.%). Содержание ВК менее 20% не обеспечивает требуемого самоуплотнения заделки. Введение в смесь ВК в количестве более 85% нецелесообразно ввиду чрезмерно высокой степени вспучиваемости заполнителя.

В ФГУ ВНИИПО проведены стендовые испытания на огнестойкость нескольких опытных партий секционированных вермикулитсодержащих подушек размером 350х160х25 мм. В результате испытаний кабельных проходок установлено, что заделки с использованием этих подушек обеспечивают предел огнестойкости 1.5 ч (без дополнительного нанесения огнезащитных составов на поверхность материала со стороны огневого воздействия). Положительные результаты испытаний позволили выпустить ТУ 5765-001-04694169-94 «Подушки огнезащитные вермикулитсодержащие марки ПОВ-4», в соответствии с которыми подушки могут быть рекомендованы для заделки проходов кабелей в различных конструкциях и устройства огнепреградительных поясов с пределом огнестойкости 1.5 ч.

Таблица 2 - Заполнители подушек и их состояние после огневого воздействия

Состав	Крайние секции	Центральная секция	Состояние заполнителя в крайней секции
	компоненты	содержание, мас.%	компоненты	содержание, мас.%	глубина спека, мм	коэффициент вспучивания
1	БСТВ	100	БСТВ	100	2	0.8
2	KBS	100	KBS	100	0	0.6
3	ВВ	100	ВВ	100	0	1.0
4	ВК	100	ВВ	100	0	4.8
5	ВК	100	Д	100	0	4.8
6	ВК	100	ВК	100	0	4.8
7	ВК:Д	85:15	Д	100	0	3.6
8	ВК:Д	55:45	Д	100	0	3.0
9	ВК:Д	40:60	Д	100	0	2.2
10	ВК:Д	25:75	Д	100	0	1.7
11	ВК:Д	20:80	Д	100	0	1.5

Примечание. БСТВ - базальтовое супертонкое волокно, KBS - многокомпонентная смесь (произв. Германии), ВВ - вермикулит вспученный, ВК - вермикулитовый концентрат, Д - доломитовый песок.

Таблица 3 - Состояние кабеля в месте заделки после огневого воздействия

Состав	Температура на «холодном» конце кабеля, оС	Длина, мм
		обгоревшая часть	поврежденная часть	неповрежденная часть
1	200	350	-	-
2	178	350	-	-
3	160	300	50	-
4	116	180	140	30
5	100	110	120	120
6	92	105	100	145
7	64	95	80	175
8	54	85	90	175
9	57	60	95	195
10	64	90	85	175
11	72	75	100	175

Получен патент РФ №2037022 на устройство, которое включает гибкую наружную оболочку, выполненную из кремнеземной ткани, и заполнитель, распределенный во внутренние гибкие, водонепроницаемые, изолированные одна от другой в направлении одной из горизонтальных осей оболочки секции (рис. 18), причем наружная (со стороны возможного пожара) секция I заполнена вспучивающимся под действием температуры и самоуплотняющимся в месте заделки при пожаре материалом, а другая - внутренняя секция II - негорючим веществом, обладающим высокой теплопроводностью для постоянного отвода тепла от кабеля в месте заделки в период эксплуатации кабельной проходки.



Рисунок 18 - Схема заделки кабельной проходки вермикулитсодержащими подушками: I - наружная секция; II - внутренняя секция; 1 - кабель; 2 - двухсекционная подушка; 3 - трехсекционная подушка; 4 - стена

Поскольку, как было отмечено выше, полученный на основе вспученного вермикулита, портландцемента и тугоплавкой минеральной добавки (например, золоотходов) конструкционно-теплоизоляционный бетон соответствует требованиям стандарта на бетоны жаростойкие и обеспечивает класс И10 по предельно допустимой температуре применения, то такой бетон, выдерживая стандартный температурный режим пожара, пригоден для заделки кабельных проходок: в виде монолитной изоляции при устройстве временной опалубки или предварительно изготовленных вермикулитобетонных изделий с каналами для прокладки кабелей различного диаметра.

При разработке составов огнезащитного вермикулитобетона для заделки кабельных проходок, наряду с обеспечением требуемого предела огнестойкости, существенным является учет фактора обеспечения режима работы силового кабеля, перегрев которого в нормальных условиях эксплуатации не допускается. В соответствии с требованиями ГОСТ Р 5037.1-93 при длительном пропускании тока в установленном режиме температура токопроводящей жилы кабеля не должна превышать 65єС.

Основное внимание при решении этой задачи было уделено влиянию плотности материала, применяемого для заделки, на режим работы силового кабеля. Исследованиям подвергались образцы-блочки теплоизоляционно-конструкционного вермикулитозолобетона плотностью в диапазоне 460-840 кг/м³, составы которых приведены в табл. 4. Зависимость температуры на токопроводящей жиле кабеля от плотности вермикулитозолобетона приведена на рис. 19.

Таблица 4 - Составы и основные свойства огнезащитного вермикулитобетона

Фактический расход материалов на 1 м3 бетона	Свойства бетона	Температура на жиле в заделке, єС
цемент, кг	вермикулит вспученный, кг/л	микронаполнитель (ЗШС), кг	вода, л	плотность в сухом состоянии, кг/м3	прочность при сжатии, МПа
215	176/1177	64	544	460	0.7	70
414	155/1033	124	486	670	2.5	66
477	142/947	143	458	725	3.2	65
544	163/1087	191	423	840	4.1	57

Рисунок 19 - Влияние плотности вермикулитозолобетона на температуру жилы кабеля



Рисунок 20 - Изменение температуры на «холодном» конце кабеля в зависимости от продолжительности огневого воздействия на заделку

Из данных табл. 4 и рис. 19 следует, что температура на токоведущей жиле кабеля существенно зависит от плотности бетона, уменьшаясь по мере ее повышения. Вермикулитозолобетон в качестве огнезащитного заделочного материала для кабельных проходок может быть рекомендован с плотностью не ниже 725 кг/м³, исходя из максимально допустимой температуры на токоведущей жиле кабеля. Для оценки предела огнестойкости из вермикулитозолобетона вышеуказанного состава с плотностью 725 кг/м³ (рис. 20) были изготовлены образцы размером 300х170х90 мм, состоящие из двух одинаковых частей, образующих при соединении внутренний продольный канал диаметром 20 мм, куда помещался отрезок кабеля типа К-09-1989-НГ длиной 400 мм и диаметром 16 мм. Кабель замоноличивался в канале с помощью вермикулитсодержащего раствора аналогичного состава, использовавшегося для получения образцов. После 3-суточного твердения раствора в условиях помещения образцы высушивались до постоянной массы и оценивался предел огнестойкости (в пределах 3 ч) на модельной установке, имитирующей стендовые огневые испытания в ФГУ ВНИИПО. Как видно из рис. 20, заделка из вермикулитозолобетона обладает высоким пределом огнестойкости: через 3 ч испытаний температура на «холодном» конце кабеля не превысила 80єС.

Способ получения вермикулита с пониженной температурой вспучивания. Для производства ряда специальных материалов необходимо, чтобы для их самоуплотнения при тепловом воздействии природный вермикулит многократно вспучивался при сравнительно невысокой температуре - ниже 400єС (в отличие от традиционно принятого в промышленности способа обжига при 700-800єС). Для решения задачи получения пористого заполнителя при пониженной температуре вспучивания в интервале 300-400єС предложен способ предварительной обработки вермикулитового концентрата раствором нитрата аммония, разлагающегося при температуре до 300єС с выделением газообразных продуктов. Испытаниям подвергался вермикулитовый концентрат ОАО «Ковдорслюда» рабочей фракции 0.14-1.25 мм, обработанный раствором NH₄NО₃ различной концентрации, при различной продолжительности насыщения.

Рисунок 21 - Зависимость К_всп модифицированного вермикулита от температуры обжига

Рисунок 22 - Термограммы исходного вермикулита (1) и вермикулита, обработанного раствором NH₄NO₃ (2)

Показано, что оптимальная концентрация раствора NH₄NО₃ для насыщения ВК и получения пористого заполнителя с максимальным коэффициентом вспучивания при температуре обжига 300-400єС находится в пределах 35-50%; при этом К_всп составляет 3-3.5 (рис. 21). Установлено, что продолжительность насыщения раствором NH₄NО₃ для получения вермикулита с К_всп=3 достаточно ограничить 0.5 ч.

На рис. 22 представлены термограммы вермикулита: в исходном виде и обработанного раствором NH₄NO₃ 50%-й концентрации.

Как видно из термограмм, за счет модификации вермикулитового концентрата раствором NH₄NO₃ первый эндоэффект сдвигается в область более низких температур (130єС), а второй захватывает значительно большую область 220-385єС, что обусловливается процессами плавления соли, ее разложения и взаимодействия с вермикулитом.

Основные выводы

1. Установлена возможность использования в строительстве нетрадиционного сырья - вскрышных скальных пород хибинских месторождений апатитонефелиновых руд. Изучены основные разновидности вскрышных пород: уртиты и рисчорриты, и показана целесообразность их применения для получения высококачественного щебня; марки по прочности, износу и морозостойкости: Др 1200-1400, ИI-ИII, F150 соответственно.

2. Исследован процесс структурообразования бетона и взаимодействия главных породообразующих минералов вскрышных пород: нефелина, полевого шпата, эгирина и сфена - с цементом. Показано упрочнение контактной зоны «нефелинсодержащий заполнитель - цементный камень» и повышение микротвердости в этой зоне по сравнению с цементной матрицей на 20-30%, что обусловлено образованием гидрогранатов как одной из новообразованных фаз при взаимодействии нефелина с продуктами твердения цемента.

3. Разработаны составы тяжелого бетона на основе щебня из нефелинсодержащих пород в пределах класса В30. Показано, что по деформационно-прочностным свойствам эти бетоны не уступают бетону на стандартном гранитном щебне. Установлено, что в системе «нефелинсодержащий заполнитель - цементный камень» при взаимодействии нефелина с продуктами гидратации цемента обеспечиваются условия, способствующие пассивации стальной арматуры. Результаты электрохимических испытаний бетонов свидетельствуют о коррозионной стойкости в них арматуры.

4. Установлена стойкость бетона на нефелинсодержащих заполнителях при эксплуатации в различных средах, характерных для подземных выработок рудников ОАО «Апатит»: воздушно-сухих, воздушно-влажных, попеременного водонасыщения - высыхания, в водных средах с рН от 5.5 до 10.

5. Показано, что уртит и рисчоррит могут быть использованы в виде фракционированного щебня и щебеночно-песчаных смесей для устройства оснований дорожных одежд на дорогах всех технических категорий во всех дорожно-климатических зонах, а также для покрытий без применения вяжущих для дорог IV и V категорий.

6. Установлена возможность получения на основе нефелинсодержащих заполнителей горячих и теплых асфальтобетонных смесей, обеспечивающих высокую износостойкость и долговечность покрытия. Щебень из уртита и рисчоррита может применяться для изготовления дорожного монолитного бетона классов по прочности на растяжение при изгибе В_ВtВ 2.4-4.8 и сборных дорожных плит из бетона классов В_ВtВ 3.6-4.0.

7. Исследованы вспучивающиеся серицит-альбит-хлорит-кварцевые сланцы месторождения Вуручуайвенч и проявлений на полуостровах Средний и Рыбачий, включая наиболее крупное по прогнозным ресурсам - Цыпнаволок. Показаны механизм вспучивания сланцев, влияние их минерального состава и газовой фазы, установленный объем которой составляет около 10 дм³ на 1 кг породы, на формирование пористого заполнителя с заданными свойствами.

8. Выявлены технологические параметры получения пористого заполнителя требуемого качества, обеспечивающие средний коэффициент вспучивания сланцев в пределах 3.5-4. Изучено влияние температуры их обжига на изменение структуры, пористости и распределение пор по размерам. Отработана технология получения пористого заполнителя из местных сланцев в АООТ «Шунгизит» (г.Мурманск) с выпуском опытно-промышленной партии. Показано, что пористый заполнитель на основе местных сланцев по своим свойствам не уступает традиционному шунгизиту из карельского сырья.

9. Разработаны составы и изучены свойства легкого бетона марок 50-150 на основе вспученных сланцев. Установлено, что контактная зона «пористый заполнитель - цементный камень» характеризуется увеличением микротвердости в среднем на 20% и аналогичным снижением содержания СаО_св по сравнению с цементной матрицей.

10. Разработан композиционный пенообразователь для производства легкобетонных смесей на основе вермикулита Ковдорского месторождения для получения негорючего теплоизоляционного материала для кровельных покрытий. Одностадийным способом получены поризованные высокоустойчивой пеной вермикулитобетонные смеси для изготовления плитного утеплителя с заданной средней плотностью 340 кг/м³ и прочностью при сжатии 0.3 МПа.

11. Получен жаростойкий конструкционно-теплоизоляционный вермикулитозолобетон, относящийся по предельно допустимой температуре применения к классу И10. Установлено снижение теплопроводности вермикулитсодержащего бетона по сравнению с другими равноплотными бетонами, не содержащими заполнителей слоистого строения, и уточнена формула определения коэффициента теплопроводности вермикулитобетона, учитывающая влияние слоистой структуры вермикулита на процесс тепломассопереноса.

12. Разработаны вермикулитсодержащие смеси для теплоизоляции нагревательного оборудования, обладающие необходимыми формовочными свойствами при нанесении на вертикальные поверхности, а также обеспечивающие физико-механические и теплофизические показатели изоляции. Технология апробирована в ОАО «Апатит» при устройстве мастичной теплоизоляции промышленных водогрейных котлов.

13. Реализован принцип теплофизической анизотропии применительно к решению проблемы повышения пожарной безопасности заделок проходов электрических кабелей через строительные конструкции вермикулитсодержащими материалами. Разработан секционированный гибкий материал с заполнителями разной теплопроводности, превосходящий по комплексу свойств мировые аналоги, обеспечивая при этом самоуплотнение заделки при пожаре и постоянный отвод тепла от силового кабеля при его эксплуатации, экологическую безопасность, и предназначенный для заделки с 1.5-часовым пределом огнестойкости. Установлено влияние плотности конструкционно-теплоизоляционного вермикулитобетона в заделке на режим работы электрических кабелей для предотвращения их перегрева при нормальных условиях эксплуатации и показано, что заделка проходки из такого бетона обеспечивает не менее чем 3-часовой предел огнестойкости.

14. Предложен способ получения вермикулита с коэффициентом вспучивания 3-3.5 при пониженной температуре его обжига (300-400єС) за счет предварительной обработки раствором нитрата аммония.

15. Разработаны технические условия, устанавливающие возможность использования вскрышных скальных пород хибинских месторождений апатитонефелиновых руд в строительстве (плотные заполнители и тяжелые бетоны на их основе, дорожное строительство), сланцев Кольского полуострова для получения пористых заполнителей и легких бетонов на их основе, ковдорского вермикулита для огнезащитных материалов при заделке кабельных проходок через строительные конструкции и модифицированного концентрата для получения пористого заполнителя при пониженной температуре вспучивания.

16. Установлена экономическая целесообразность использования исследованных видов минерального сырья Кольского полуострова и строительных материалов на их основе; ежегодный ожидаемый экономический эффект от реализации выполненных разработок составляет более 1.5 млрд руб.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Крашенинников О.Н., Меос М.А. Поризованные легкие бетоны с заполнителем из вспученных хлоритовых сланцев // Строительные и технические материалы из минерального сырья и промышленных отходов. - Л.: Наука, 1980. - С.32-37.

2. А.с. 1189843 СССР. Пенообразователь для поризации бетонной смеси / М.А.Меос, К.В.Зотова, О.Н.Крашенинников. Бюл. №41, 1985.

3. Крашенинников О.Н., Белогурова Т.П., Цветкова Т.В. Влияние минерального состава уртитового заполнителя и условий твердения бетона на формирование контактной зоны // Комплексное использование минерального сырья в строительных и технических материалах. - Апатиты: Изд. КНЦ АН СССР, 1989. - С.22-25.

4. Теплоизоляция покрытий из вермикулитопенобетона / О.Н.Крашенинников, К.В.Зотова, Г.В.Журбенко и др. // Физико-химические основы переработки и применения минерального сырья. - Апатиты: Изд. КНЦ АН СССР, 1990. - С.27-31.

5. Вскрышные нефелинсодержащие породы и их применение / О.Н. Крашенинников, Т.П.Белогурова, А.М.Полякова, С.Г.Фурсов // Автомобильные дороги. - 1990. - №5. - С.16-17.

6. Золошлаковые смеси Кировской ГРЭС - эффективная добавка в бетоны / О.Н.Крашенинников, В.Н.Макаров, Г.В.Журбенко и др. // Бетоны на основе золы и шлака ТЭС и комплексное их использование в строительстве: Сб. докл. Всесоюз. научно-техн. конф. - Новокузнецк: Изд. СМИ, 1990. - Т.1. - С.173-184.

7. О реакционной способности вскрышных пород рудников ПО «Апатит» / Т.П.Белогурова, О.Н.Крашенинников, Г.С.Рояк, Т.Л.Трактирникова // Физико-химические основы переработки и применения минерального сырья. - Апатиты: Изд. КНЦ АН СССР, 1990. - С.32-35.

8. Физико-химические аспекты комплексного использования золошлаковых смесей тепловых электростанций / В.Н.Макаров, А.А.Боброва, О.Н. Крашенинников и др. - Апатиты: Изд. КНЦ АН СССР, 1991. - 115 с.

9. Крашенинников О.Н., Белогурова Т.П., Лалаянц Н.Г. Нефелинсодержащие заполнители и деформационно-прочностные свойства тяжелых бетонов на их основе // Горнопромышленные отходы как сырье для производства строительных материалов. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1992. - С.27-33.

10. Крашенинников О.Н. Вермикулитсодержащие противопожарные материалы для кровельных покрытий и заделки кабельных проходов // Сб. докл. Междунар. семинара по проблемам пожарной безопасности АЭС. - Нетешин: Изд. Интератомэнерго, 1992. - С.1-6.

11. Получение стеновых камней на основе шунгизита и побочных продуктов его производства / О.Н.Крашенинников, М.А.Меос, Г.В.Журбенко и др. // Строительные и технические материалы на основе минерального сырья и горнопромышленных отходов. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1994. - С.22-31.

12. Пат. 2037022 РФ. Устройство для огнезащитной заделки проходов коммуникаций в различных конструкциях / О.Н.Крашенинников, А.Д. Журбенко, С.В.Ходнева и др. Бюл. №16, 1995.

13. Крашенинников О.Н. Вскрышные нефелиновые породы как сырье для получения бетонов // Проблема строительного материаловедения и новые технологии. - Белгород: Изд. БелГТАСМ, 1995. - Ч.2. - С.47-52.

14. Крашенинников О.Н. Нефелиновые породы Хибинского массива и возможности их использования в строительстве. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1995. - 66 с.

15. Крашенинников О.Н., Степанова В.Ф. Коррозионная стойкость арматуры в бетоне на нефелиновых заполнителях // Бетон и железобетон. - 1995. - №6. - С.16-18.

16. Krasheninnikov O. Advanced fireproof vermiculite - containing materials // Advanced technologies for complete use of the north natural resources. - Apatity: KSC RAS, 1996. - P.81-82.

17. Крашенинников О.Н. К проблеме развития минерально-сырьевой базы стройиндустрии Кольского горно-промышленного комплекса. Ч.5. Проблемы строительного материаловедения и новые технологии // Сб. докл. Междунар. конф. «Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений» (14-е науч. чтения). - Белгород: Изд. БелГТАСМ, 1997. - С.71-75.

18.^* Крашенинников О.Н., Пак А.А., Сухорукова Р.Н. Комплексное использование отходов обогащения железорудного сырья // Строительные материалы. - 1997. - №12. - С.28-30.

19. Поризованный вермикулитобетон для огнезащитных кровельных покрытий / О.Н.Крашенинников, Г.В.Журбенко, К.В.Зотова, С.Р.Деркач // Сб. докл. науч.-техн. конф. «Поверхностно-активные вещества в строительстве». - СПб.: Изд. Нео-ТЭКС, 1998. - С.47-52.

20. Крашенинников О.Н., Журбенко Г.В., Вороняева Л.В. Глинистые сланцы Кольского полуострова как сырье для получения пористых заполнителей. - 17 с. - Деп. в ВИНИТИ 29.01.99, №297-В99.

21. Крашенинников О.Н. Декоративные бетоны на основе природнокаменного сырья Кольского полуострова: препр. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1999. - 34 с.

22. Журбенко Г.В., Крашенинников О.Н., Павлова М.А. Изучение процесса газовыделения вспучивающихся хлоритовых сланцев при температурной обработке // Химия, технология и свойства силикатных материалов. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1999. - С.31-37.

23. К проблеме утилизации отходов предприятий Кольского горнопромышленного комплекса в строительной отрасли / О.Н.Крашенинников, А.А.Пак, Г.В.Журбенко и др. // Проблемы комплексной переработки минерального сырья и охраны окружающей среды: докл. Междунар. совещания, Петрозаводск (Плаксинские чтения). - М: Изд. ИПКОН, 1999. - С.201-208.

24. Крашенинников О.Н. Перспективы применения вскрышных пород рудников ОАО «Апатит» в строительстве // Комплексная переработка Хибинских апатитонефелиновых руд. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1999. - С.143-147.

25.^* Крашенинников О.Н., Журбенко Г.В., Бастрыгина С.В. Жаростойкий вермикулитозолобетон для футеровки ванн алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. - 2000. - №5. - С.87-88.

26. Пак А.А., Крашенинников О.Н., Сухорукова Р.Н. Газобетон на основе техногенного сырья Кольского горнопромышленного комплекса. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2000. - 84 с.

27. Крашенинников О.Н. Вспучивающиеся сланцы Кольского полуострова - перспективное сырье для получения пористых заполнителей // Материалы Всерос. науч. конф. «Природные ресурсы северных территорий: проблемы оценки, использования и воспроизводства». - Архангельск: Изд. АФ ИЭ УрО РАН, 2002. - С.108-112.

28. Строительные и технические материалы из минерального сырья Кольского полуострова / В.Н.Макаров, О.Н.Крашенинников, Б.И.Гуревич и др. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2003. - Ч.1,2. - 430 с.

29. Минерально-сырьевые ресурсы Кольского полуострова и пути их рационального использования для получения строительных материалов / В.Т.Калинников, В.Н.Макаров, О.Н.Крашенинников, Н.Н.Гришин // Материалы Междунар. научн. конф. «Фундаментальные проблемы комплексного использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных материалов». - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2003. - С.8-10.

30. Жаростойкие магнезиальные бетоны из сырья Кольского полуострова / О.Н.Крашенинников, Н.Н.Гришин, С.В.Бастрыгина, О.А.Белогурова // Огнеупоры и техническая керамика. - 2004. - №5. - С.2-9.

31. К проблеме утилизации попутных продуктов предприятий Кольского горнопромышленного комплекса в строительной отрасли / О.Н.Крашенинников, А.А.Пак, С.В.Бастрыгина и др. // Сб. научн. статей, посвященных 100-летию со дня рождения П.И.Боженова «Достижения строительного материаловедения». - СПб.: Изд. Ом-Пресс, 2004. - С.63-66.

32. Белогурова Т.П., Крашенинников О.Н. Утилизация вскрышных пород хибинских апатитонефелиновых месторождений в строительстве // Строительные материалы. - 2004. - №7. - С.32-35.

33. Крашенинников О.Н., Белогурова Т.П. Декоративные заполнители из природного каменного сырья Кольского полуострова и бетоны на их основе // Строительные материалы. - 2004. - №10, прил. №3. - С.15-16.

34. Жаростойкий вермикулитобетон с ориентированным расположением зерен вермикулита / Н.Н.Гришин, А.Д.Журбенко, О.Н.Крашенинников, С.В.Бастрыгина, О.А.Белогурова // Огнеупоры и техническая керамика. - 2005. - №2. - С.36-39.

35. Пат. 2259279 РФ. Способ изготовления строительных изделий / А.А.Пак, Р.Н.Сухорукова, О.Н.Крашенинников. Бюл. №24, 2005.

36. Огнеупоры и жаростойкие бетоны из сырья Кольского полуострова / Н.Н.Гришин, О.Н.Крашенинников, О.А.Белогурова, С.В.Бастрыгина // Формирование основ современной стратегии природопользования в Евро-Арктическом регионе. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2005. - С.206-217.

37. Использование вскрышных пород месторождений Кольского полуострова для получения щебня / О.Н.Крашенинников, Т.П.Белогурова, В.В.Лащук, А.А.Пак // Инновационный потенциал Кольской науки. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2005. - С.219-224.

38. Крашенинников О.Н. Перспективы развития минерально-сырьевой базы Кольского региона для получения бетонов // Материалы Второй Междунар. научн. конф. «Проблемы рационального сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов». - Петрозаводск: Изд. КарНЦ, 2005. - С.103-106.

39. Крашенинников О.Н. Коррозионная стойкость арматуры в шунгизитозолобетоне // Бетон и железобетон. - 2005. - №6. - С.26-27.

40. Крашенинников О.Н. Бетоны на основе побочных продуктов Кольского горнопромышленного комплекса // Тр. II Всерос. (Междунар.) конф. по бетону и железобетону «Бетон и железобетон - пути развития». - М.: Изд. НИИЖБ, 2005. - Т.5. - С.228-235.

41. Крашенинников О.Н. Теплоизоляционный вермикулитопенобетон для кровельных покрытий // Строительные материалы. - 2006. - №1. - С.13-16.

42. Крашенинников О.Н. Вермикулитозолобетон для высокотемпературной теплоизоляции нагревательного оборудования // Новые огнеупоры. - 2006. - №2. - С.15-19.

43. Крашенинников О.Н. Роль строительной науки в экономическом развитии Кольского региона // Строительные материалы. - 2006. - №2, прил. №6. - С.12-13.

44. Крашенинников О.Н., Бастрыгина С.В., Журбенко А.Д. Способ получения вермикулита с пониженной температурой вспучивания // Вестник Мурманского гос. техн. ун-та. 2006. - Т.9, №2. - С.344-346.

45. Крашенинников О.Н. Минеральное сырье Кольского полуострова и возможности его использования в бетонах // Строительство. - 2006. - №7-8. - С.46-49.

46.^* Крашенинников О.Н. Огнезащитные вермикулитсодержащие материалы для заделки кабельных проходок через строительные конструкции // Пожарная безопасность. - 2006. - № 4. - С.95-100.

47.^* Крашенинников О.Н. Пористые заполнители из вспучивающихся сланцев Кольского полуострова // Строительные материалы. - 2006. - №6. - С.90-92.

48.^* Ганина Л.И., Крашенинников О.Н., Ларичкин Ф.Д. Эффективность использования отходов горнопромышленного комплекса Мурманской области в строительной отрасли // Строительные материалы. - 2006. - №11. - С.47-50.

Размещено на Allbest.ru

...