ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
В строительной индустрии при разработке новых материалов и изделий нередко затрагиваются вопросы ресурсо- и энергосбережения, а также доступности и экономичности сырья. Вследствие этого представляется уместным использование продуктов вулканической деятельности в качестве компонента композиционных вяжущих, что также будет способствовать улучшению экологической обстановки в регионах их распространения. Полученные результаты химико-минерального состава, формы и морфологии зерен, размолоспособности, а также сопоставление результатов с ранее исследуемыми техногенными песками, предполагают целесообразность разработки композиционного вяжущего с применением вулканогенно-осадочных пород.
композиционные вяжущие, техногенное сырье, продукты вулканической деятельности.
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. Лесовик В.С. Геоника (геомиметика). Примеры реализации в строительном материаловедении: монография. Белгород: Изд-во БГТУ, 2014. 206 с.
2. Лесовик В.С. Геоника. Предмет и задачи: монография. Белгород: Издательство: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2012. 219 с.
3. Алфимова Н.И., Трунов П.В., Шадский Е.Е. Модифицированные вяжущие с использованием вулканического сырья: монография. Saarbrucken: Изд-во LAP LAMBERT, 2015. 132 с.
4. Алфимова Н.И., Строкова В.В., Наваретте В.Ф.А. Мелкозернистые бетоны на основе вулканического сырья: монография. Германия: Изд-во LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2014. 94 с.
5. Строкова В.В., Алфимова Н.И., Наваретте Велос Ф.А., Шейченко М.С. Перспективы использования вулканического песка Эквадора для производства мелкозернистых бетонов // Строительные материалы. 2009. № 2. С. 32-33.
6. Алфимова Н.И., Трунов П.В. Продукты вулканической деятельности как сырье для производства композиционных вяжущих // Сухие строительные смеси. 2012. № 1. С. 37.
7. Веселовский Л.В., Платэ А.Н. Вулканическая активность полуострова Камчатка // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. 2010. № 5. С. 104-107.
8. Никитин Ю.В. Экологические последствия вулканических извержений // Интернет-журнал СахГУ: Наука, образование, общество. 2010. Т. 2010-11. № 2. С. 82.
9. Лесовик В.С. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород: монография. М.: Изд-во АСВ, 2006. 525 с.
10. Лесовик В.С. Генетические основы энергосбережения в промышленности строительных материалов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 1994. № 7-8. С. 96-100.
11. Алфимова Н.И., Трунов П.В., Шаповалов Н.Н. Оценка эффективности использования вулканического сырья Камчатки при производстве строительных материалов // «Восточное партнерство - 2013»: Междунар. науч.-конф., Перемы́шль, 11-15 сентября 2013 г. Перемышль, Польша, 2013. С. 56-59.
12. Трунов П.В. Перспективы использования вулканического туфа Камчатки в качестве кремнеземистого компонента композиционных вяжущих // Фундаментальные исследования. 2014. № 3-3. С. 490-494.
13. Алфимова Н.И., Шаповалов Н.Н., Шадский Е.Е., Юракова Т.Г. Повышение эффективности использование продуктов вулканической деятельности // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2015. № 5. С. 11-15.
14. Лесовик В.С. Геоника (геомиметика) и проблемы строительного материаловедения // Наукоемкие технологии и инновации: Юбилейная Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова (XXI научные чтения). 2014. С. 224-229.
15. Лесовик Р.В. Мелкозернистые бетоны на композиционных вяжущих и техногенных песках: дис…. докт. техн. наук. Белгород, 2009. 463 с.
16. Лесовик В.С., Савин А.В., Алфимова Н.И. Степень гидратации композиционных вяжущих как фактор коррозии арматуры в бетоне // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2013. № 1 (649). С. 28-33.
17. Лесовик В.С., Савин А.В., Алфимова Н.И., Гинзбург А.В. Оценка защитных свойств бетона из композиционных вяжущих по отношению к стальной арматуре // Строительные материалы. 2013. № 7. С. 56-58.
18. Алфимова Н.И., Лесовик В.С., Савин А.В., Шадский Е.Е. Перспективы применения композиционных вяжущих при производстве железобетонных изделий // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2014. № 5 (88). С. 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. Т. 9. № 11. С. 745-748.
20. Толстой А.Д., Лесовик В.С., Алфимова Н.И., Агеева М.С., Ковалева И.А., Баженова О.Г., Новиков К.Ю. К вопросу использования техногенного сырья в производстве порошковых бетонов на композиционных вяжущих // Энерго- и ресурсосберегающие экологически чистые химико-технологические процессы защиты окружающей среды: сб. докладов Междунар. науч.-технич. конф. БГТУ им. В.Г. Шухова. 2015. С. 384-390.
21. Вишневская Я.Ю., Трунов П.В., Калатози В.В., Бондаренко Д.О. Перспективы повышения эффективности фибробетонов за счет применения композиционных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 3. С. 35-37.
22. Лесовик В.С., Муртазаев С.А.Ю., Сайдумов М.С., Исмаилова З.Х. Утилизация отсевов дробления бетонного лома для получения многокомпонентных вяжущих и мелкозернистых бетонов // Актуальные проблемы защиты окружающей среды и техносферной безопасности в меняющихся антропогенных условиях. Белые ночи-2014: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. 2014. С. 577-583.
23. Агеева М.С., Алфимова Н.И. Эффективные композиционные вяжущие на основе техногенного сырья. Saarbrucken. Изд-во: LAP LAMBERT, 2015. 75 с.
24. Лесовик Р.В., Алфимова Н.И., Ковтун М.Н., Ластовецкий А.Н. О возможности использования техногенных песков в качестве сырья для производства строительных материалов* // Региональная архитектура и строительство. 2008. № 2. С. 10-15.
25. Лесовик Р.В. К выбору техногенных песков для получения композиционных вяжущих и мелкозернистых бетонов // Технологии бетонов. 2015. № 1-2. С. 60-63.
26. Лесовик В.С., Сулейманова Л.А., Кара К.А. Энергоэффективные газобетоны на композиционных вяжущих для монолитного строительства // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2012. № 3. С. 10-20.
27. Лесовик Р.В., Алфимова Н.И., Ковтун М.Н. Стеновые камни из мелкозернистого бетона на основе техногенного сырья // Известия вузов. Строительство. 2007. № 11. С. 46-49.
