student
VAC 05.17.00 Химическая технология
VAC 05.23.00 Строительство и архитектура
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
In the construction industry in the development of new materials and products often raises issues of resource and energy conservation, as well as the availability of raw materials and profitability. Because of this, it seems appropriate to use the products of volcanic activity as a component of composite binders that will contribute to improving the environmental situation in the regions of their distribution. The results of chemical and mineral composition, shape and morphology of the grains, and grinding, as well as the comparison of the results with the previously studied man-made sand, suggest the desirability of developing composite binder with volcanogenic-sedimentary rocks.
composite binders, technogenic raw materials, products of volcanic activity.
Введение. Вулканическая деятельность сама по себе уникальна, под действием температуры и давления происходит процесс реструктуризации исходных природных материалов и преобразование их в новые. Такой цикл природной обработки заменяет и экономит тонны энергии для будущих производств. Структура данного сырья является перспективной для дальнейшего использования в промышленности строительных материалов, в особенности при получении композиционных вяжущих [1–6].
Камчатский полуостров является территорией с наибольшим количеством вулканов в нашей стране, точное количество которых определить достаточно тяжело. По некоторым данным на территории полуострова находится 27 действующих вулканов. Большая часть активных вулканов растянулась через всю восточную часть полуострова. В результате такого скопления, почти половина территории Камчатки покрыта продуктами вулканической деятельности [7]. Оседание вулканического пепла вкупе с пирокластическими потоками наносят существенный вред экосистеме Камчатского края [8]. На основании вышеизложенного, весьма актуальным является вопрос использования продуктов вулканической деятельности, в первую очередь, в качестве сырьевых компонентов для строительных материалов [9–14].
Методология. Помол вулканогенных осадочных пород (ВОП) осуществлялся в планетарной мельнице. Химический анализ проводился с помощью флуоресцентного метода на спектрометре серии ARL 9900 WorkStation. Анализ формы и морфологии поверхности зерен проводился с помощью сканирующего электронного микроскопа TESCAN MIRA 3 LMU. Коэффициент качества пород как компонента композиционного вяжущего (Кк) определялся с помощью методики, разработанной на кафедре СМИиК БГТУ им. В.Г. Шухова [15].
Основная часть. На сегодняшний день перспективность потребления техногенных отходов при разработке высокоэффективных композиционных вяжущих подтверждена многочисленными исследованиями. Эти вяжущие нашли особое применение при разработке различных видов бетона [16–27].
В интересах расширения сырьевой базы многокомпонентных вяжущих для исследований были отобраны два вида сырья. Первая проба (KL 1405) была отобрана у подножия вулкана Ключевской, нижний водопад реки Крутенькая, вторая проба (Т 1401) – пирокластика Толбачинского извержения 2013–2014 гг. Образцы ВОП (рис. 1) представляют собой песок черного цвета с насыпной плотностью 1510 кг/м3 и 1020 кг/м3 соответственно.
Согласно полученным результатам ситового анализа модуль крупности Т 1401 составляет 3,08, преимущественной является фракция 0,63, модуль крупности KL 1405 – 0,74, при этом преимущественная фракция – 0,14 (табл. 1).
Отличительной чертой, определяющей особенность использования песков, является их химико-минеральный состав. Анализ минерального состава представленных песков показал, что Т 1401 преимущественно представлены альбитом, форстеритом и анортоклазом, KL 1405 – форстеритом и андезином (рис. 2).
а 
б 
Рис. 1. Общий вид частиц: а – Т 1401; б – KL 1405
Таблица 1
Результаты определения зернового состава песка
|
Показатели |
Диаметр отверстий сит, мм |
Проход сквозь сито № 0,14 |
|||||
|
5 |
2,5 |
1,25 |
0,63 |
0,315 |
0,14 |
|
|
|
Т 1401 |
|||||||
|
Остатки на ситах, г |
34,72 |
157,91 |
166,25 |
308,08 |
198,16 |
82,10 |
47,38 |
|
Частные, % |
3,49 |
15,87 |
16,72 |
30,97 |
19,93 |
8,26 |
4,76 |
|
Полные, % |
3,49 |
19,36 |
36,08 |
67,05 |
86,98 |
95,24 |
100 |
|
Модуль крупности |
Мкр = 3,08 |
||||||
|
KL 1405 |
|||||||
|
Остатки на ситах, г |
– |
3,58 |
7,41 |
36,25 |
142,36 |
301,28 |
508,7 |
|
Частные, % |
– |
0,36 |
0,75 |
3,67 |
14,4 |
30,3 |
30,3 |
|
Полные, % |
– |
0,36 |
1,11 |
4,78 |
19,18 |
49,48 |
100 |
|
Модуль крупности |
Мкр = 0,74 |
||||||
Полученные результаты химического анализа показывают, что основным соединением исследуемых материалов является оксид кремния и оксид алюминия (табл. 2).
Согласно данным растровой электронной микроскопии, Т 1401 и KL 1405 представляют собой полидисперсный материал, размер частиц которых варьируется в пределах 1–300 мкм.
Как видно из снимков (рис. 3, 4), зерна отличаются различной формой и имеют шероховатую поверхность, что обеспечивает достаточно высокую удельную поверхность. При большем увеличении становится очевидной неоднородность поверхности частиц. В общей массе присутствуют зерна, обладающие гладкой поверхностью, но на самих частицах ярко выражены полости, являющиеся последствием транспортировки и воздействия ветровой нагрузки. Эти полости заполнены высокодисперсными минералами и продуктами разрушения более крупных пород. Также примечательным является покрытие крупных частиц мелкодисперсными продуктами с ярко выраженными следами агрегации.
На основании того, что прочность контактной зоны между частицами имеет не большое значение, закономерен вывод, что размолоспособность отобранных видов сырья будет достаточно высокой. В связи с чем, целесообразным является проведение исследований по определению кинетики помола ВОП. В качестве объекта для сравнения был выбран природный кварцевый песок, в качестве контрольных точек выступали удельные поверхности 300, 400 и 500 м2/кг (табл. 3)
а
б
Рис. 2. Рентгенограммы песка: а – Т 1401; б – KL 1405
Таблица 2
Химический состав продуктов вулканической деятельности
|
Содержание по массе, (%) |
|||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
MgO |
CaO |
Fe2O3 |
Na2O |
TiO2 |
п.п.п. |
|
Т 1401 |
|||||||
|
44,58 |
16,55 |
9,94 |
9,73 |
7,62 |
2,98 |
0,78 |
1,17 |
|
KL 1405 |
|||||||
|
46,81 |
20,42 |
5,31 |
7,21 |
6,45 |
4,18 |
0,74 |
1,22 |
Рис. 3. Структура поверхности частиц Т 1401
Рис. 4. Структура поверхности частиц KL 1405
Из приведенных результатов видно, что KL 1405 обладает более высокими показателями размолоспособности, при этом время, затрачиваемое на достижение удельной поверхности 500 м2/кг, сокращается примерно в 1,6 раза. Т 1401 относительно кварцевого песка также обладает лучшими показателями размолоспособности, а время, затрачиваемое на помол, сокращается в 1,2 раза. Лучшая размолоспособность ВОП объясняется меньшей твердостью входящих в их состав минералов в сравнении с кварцем, который является основным минералом природного песка.
Таблица 3
Кинетика помола ВОП
|
Вид кремнеземистого компонента |
Удельная поверхность, м2/кг Время помола, мин |
||
|
T 1401 |
310,6 40 |
404,3 53 |
507,7 71 |
|
KL 1405 |
307,8 25 |
409,5 35 |
507,9 53 |
|
Кварцевый песок |
308,3 43 |
396,7 60 |
498,0 82 |
Коэффициент качества исследуемых ВОП как компонента композиционных вяжущих составляет для T 1401 – 1,27, для KL 1405 – 1,26. Сопоставление результатов с другими техногенными песками различного месторождения представлено в таблице 4. Данная таблица построена на ранее полученных результатах исследований на кафедре СМИиК БГТУ им. В.Г. Шухова.
Таблица 4
Показатели коэффициента качества пород различного генезиса
как компонента композиционного вяжущего*
|
№ , п/п |
Наименование компонента ТМЦ |
Коэффициент качества |
|
1 |
Отсев дробления кварцитопесчаника, фракции 0,315-5 |
1,29 |
|
2 |
Вулканический пепел аморфизированный (Республика Эквадор) |
1,29 |
|
3 |
Вулканогенно-осадочные породы (вулкан Ключевской) |
1,27 |
|
4 |
Вулканогенно-осадочные породы (вулкан Толбачик) |
1,26 |
|
5 |
Вулканический песок (Республика Эквадор) |
1,25 |
|
6 |
Вулканический пепел кристаллический (Республика Эквадор) |
1,05 |
|
7 |
Вулканический туф (Остров Сицилия) |
1,05 |
|
8 |
Песок Стодеревского карьера |
1,02 |
|
9 |
Отходы мокрой магнитной сепарации Лебединского месторождения |
1,02 |
|
10 |
Песок Вольского месторождения |
1 |
|
11 |
Вулканогенно-осадочные породы (вулкан Жировской) |
0,96 |
|
12 |
Отсев дробления кварцитопесчаника |
0,96 |
|
13 |
Песок Нижне-Ольшанского месторождения |
0,95 |
|
14 |
Отходы мокрой магнитной сепарации Ковдорского месторождения |
0,92 |
|
15 |
Отсев Солдато-Александровского карьера |
0,77 |
|
16 |
Отходы алмазообогащения (ЮАР) |
0,40 |
|
17 |
Отходы алмазообогащения Архангельской алмазоносной провинции |
0,31 |
* Сравнительные данные взяты на основании ранее полученных результатов на кафедре СМИиК [15]
Выводы. Предварительный анализ вулканогенно-осадочных пород показал возможность их применения при разработке эффективных композиционных материалов. Использование данного сырья для изготовления многокомпонентных вяжущих позволит не только снизить энергоемкость производства, но и сократить расходы природных сырьевых ресурсов.
1. Lesovik V.S. Geonika (geomimetika). Primery realizacii v stroitel'nom materialovedenii: monografiya. Belgorod: Izd-vo BGTU, 2014. 206 s.
2. Lesovik V.S. Geonika. Predmet i zadachi: monografiya. Belgorod: Izdatel'stvo: Belgorodskiy gosudarstvennyy tehnologicheskiy universitet im. V.G. Shuhova, 2012. 219 s.
3. Alfimova N.I., Trunov P.V., Shadskiy E.E. Modificirovannye vyazhuschie s ispol'zovaniem vulkanicheskogo syr'ya: monografiya. Saarbrucken: Izd-vo LAP LAMBERT, 2015. 132 s.
4. Alfimova N.I., Strokova V.V., Navarette V.F.A. Melkozernistye betony na osnove vulkanicheskogo syr'ya: monografiya. Germaniya: Izd-vo LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2014. 94 s.
5. Strokova V.V., Alfimova N.I., Navarette Velos F.A., Sheychenko M.S. Perspektivy ispol'zovaniya vulkanicheskogo peska Ekvadora dlya proizvodstva melkozernistyh betonov // Stroitel'nye materialy. 2009. № 2. S. 32-33.
6. Alfimova N.I., Trunov P.V. Produkty vulkanicheskoy deyatel'nosti kak syr'e dlya proizvodstva kompozicionnyh vyazhuschih // Suhie stroitel'nye smesi. 2012. № 1. S. 37.
7. Veselovskiy L.V., Plate A.N. Vulkanicheskaya aktivnost' poluostrova Kamchatka // Problemy okruzhayuschey sredy i prirodnyh resursov. 2010. № 5. S. 104-107.
8. Nikitin Yu.V. Ekologicheskie posledstviya vulkanicheskih izverzheniy // Internet-zhurnal SahGU: Nauka, obrazovanie, obschestvo. 2010. T. 2010-11. № 2. S. 82.
9. Lesovik V.S. Povyshenie effektivnosti proizvodstva stroitel'nyh materialov s uchetom genezisa gornyh porod: monografiya. M.: Izd-vo ASV, 2006. 525 s.
10. Lesovik V.S. Geneticheskie osnovy energosberezheniya v promyshlennosti stroitel'nyh materialov // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Stroitel'stvo. 1994. № 7-8. S. 96-100.
11. Alfimova N.I., Trunov P.V., Shapovalov N.N. Ocenka effektivnosti ispol'zovaniya vulkanicheskogo syr'ya Kamchatki pri proizvodstve stroitel'nyh materialov // «Vostochnoe partnerstvo - 2013»: Mezhdunar. nauch.-konf., Peremýshl', 11-15 sentyabrya 2013 g. Peremyshl', Pol'sha, 2013. S. 56-59.
12. Trunov P.V. Perspektivy ispol'zovaniya vulkanicheskogo tufa Kamchatki v kachestve kremnezemistogo komponenta kompozicionnyh vyazhuschih // Fundamental'nye issledovaniya. 2014. № 3-3. S. 490-494.
13. Alfimova N.I., Shapovalov N.N., Shadskiy E.E., Yurakova T.G. Povyshenie effektivnosti ispol'zovanie produktov vulkanicheskoy deyatel'nosti // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2015. № 5. S. 11-15.
14. Lesovik V.S. Geonika (geomimetika) i problemy stroitel'nogo materialovedeniya // Naukoemkie tehnologii i innovacii: Yubileynaya Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., posvyasch. 60-letiyu BGTU im. V.G. Shuhova (XXI nauchnye chteniya). 2014. S. 224-229.
15. Lesovik R.V. Melkozernistye betony na kompozicionnyh vyazhuschih i tehnogennyh peskah: dis…. dokt. tehn. nauk. Belgorod, 2009. 463 s.
16. Lesovik V.S., Savin A.V., Alfimova N.I. Stepen' gidratacii kompozicionnyh vyazhuschih kak faktor korrozii armatury v betone // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Stroitel'stvo. 2013. № 1 (649). S. 28-33.
17. Lesovik V.S., Savin A.V., Alfimova N.I., Ginzburg A.V. Ocenka zaschitnyh svoystv betona iz kompozicionnyh vyazhuschih po otnosheniyu k stal'noy armature // Stroitel'nye materialy. 2013. № 7. S. 56-58.
18. Alfimova N.I., Lesovik V.S., Savin A.V., Shadskiy E.E. Perspektivy primeneniya kompozicionnyh vyazhuschih pri proizvodstve zhelezobetonnyh izdeliy // Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2014. № 5 (88). S. 95-99.
19. Lesovik V.S., Alfimova N.I., Trunov P.V. Reduction of energy consumption in manufacturing the fine ground cement // Research Journal of Applied Sciences. 2014. T. 9. № 11. S. 745-748.
20. Tolstoy A.D., Lesovik V.S., Alfimova N.I., Ageeva M.S., Kovaleva I.A., Bazhenova O.G., Novikov K.Yu. K voprosu ispol'zovaniya tehnogennogo syr'ya v proizvodstve poroshkovyh betonov na kompozicionnyh vyazhuschih // Energo- i resursosberegayuschie ekologicheski chistye himiko-tehnologicheskie processy zaschity okruzhayuschey sredy: sb. dokladov Mezhdunar. nauch.-tehnich. konf. BGTU im. V.G. Shuhova. 2015. S. 384-390.
21. Vishnevskaya Ya.Yu., Trunov P.V., Kalatozi V.V., Bondarenko D.O. Perspektivy povysheniya effektivnosti fibrobetonov za schet primeneniya kompozicionnyh vyazhuschih // Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2013. № 3. S. 35-37.
22. Lesovik V.S., Murtazaev S.A.Yu., Saydumov M.S., Ismailova Z.H. Utilizaciya otsevov drobleniya betonnogo loma dlya polucheniya mnogokomponentnyh vyazhuschih i melkozernistyh betonov // Aktual'nye problemy zaschity okruzhayuschey sredy i tehnosfernoy bezopasnosti v menyayuschihsya antropogennyh usloviyah. Belye nochi-2014: Materialy Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. 2014. S. 577-583.
23. Ageeva M.S., Alfimova N.I. Effektivnye kompozicionnye vyazhuschie na osnove tehnogennogo syr'ya. Saarbrucken. Izd-vo: LAP LAMBERT, 2015. 75 s.
24. Lesovik R.V., Alfimova N.I., Kovtun M.N., Lastoveckiy A.N. O vozmozhnosti ispol'zovaniya tehnogennyh peskov v kachestve syr'ya dlya proizvodstva stroitel'nyh materialov* // Regional'naya arhitektura i stroitel'stvo. 2008. № 2. S. 10-15.
25. Lesovik R.V. K vyboru tehnogennyh peskov dlya polucheniya kompozicionnyh vyazhuschih i melkozernistyh betonov // Tehnologii betonov. 2015. № 1-2. S. 60-63.
26. Lesovik V.S., Suleymanova L.A., Kara K.A. Energoeffektivnye gazobetony na kompozicionnyh vyazhuschih dlya monolitnogo stroitel'stva // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Stroitel'stvo. 2012. № 3. S. 10-20.
27. Lesovik R.V., Alfimova N.I., Kovtun M.N. Stenovye kamni iz melkozernistogo betona na osnove tehnogennogo syr'ya // Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. 2007. № 11. S. 46-49.
