Фундаментальные исследования. Комплексное использование минерального сырья и отходов промышленности при производстве строительных материалов Из представленного списка выбрать минерально строительное сырье

Помимо охарактеризованных выше, существует еще множество видов минерального строительного сырья: стекольные пески, керамические огнеупорные и тугоплавкие глины, гипс, различные полевошпатовые материалы, асбест, разнообразные горные породы для получения минеральной ваты и многие другие.

Разведанные запасы и добыча этих полезных ископаемых в целом по стране велики, но размещены очень неравномерно, что приводит к необходимости транспортировки сырья на большие расстояния, затрудняет ритмичную работу предприятий, удорожает стоимость конечной продукции. Кроме того, качество природного сырья не всегда отвечает требованиям промышленности.

Пути решения проблемы многочисленны. С одной стороны - это поиски и разведка новых месторождений, для чего в ряде районов имеются реальные перспективы; с другой - это освоение новых технологий обогащения, позволяющих расширить круг используемых видов природного сырья и получать высококачественные кварцевые, полевошпатовые и другие концентраты. И, наконец, третий путь - это использование техногенного сырья, утилизация которого открывает возможности усовершенствования территориального размещения ресурсов, повышения качества выпускаемых изделий, не говоря уже о том, что оно позволяет экономить природное сырье и улучшать экологическую обстановку в промышленных районах.

Одной из областей, имеющих широкие возможности для утилизации минерального техногенного сырья, является строительная керамика. В этой отрасли могут применяться золошлаковые отходы тепловых электростанций, отходы углеобогащения, хвосты флотации руд цветных металлов, отсевы камнедробления и др.

Возможность использования шлаков ТЭС и золы-уноса при производстве плиток для внутренней облицовки стен и фасадных плиток изучена в НИИСМИ (г. Киев). Составы масс на основе шлаков Приднепровской ГРЭС и технологические параметры производства апробированы в условиях Днепропетровского заводоуправления строительных материалов. В Монастырисском заводоуправлении строительных материалов в Тернопольской области из керамической массы на основе шлаков Бурштынской ГРЭС получены плитки высшей категории качества.

Для производства дренажных труб пригодны молотые отходы добычи и гравитационного обогащения, а также хвосты флотации углей. Трубы, полученные на экспериментально-исследовательском заводе НИИСМИ из отходов флотации углей с содержанием угля 20 % и более, имеют меньшую массу и более высокое водопоглощение черепка, чем изделия, изготовленные из глин. Это может позволить выпуск труб большей длины, что повысит производительность заводов и ускорит сооружение дренирующих систем. Несмотря на экономическую целесообразность использования отходов углеобогащения в качестве добавки в шихту для производства дренажных труб, широкого применения в этой отрасли они пока еще не нашли. На Репнинском заводе стройматериалов в Черниговской области велась отработка технологии производства с добавкой 10-15 % отходов флотации. В ближайшей перспективе намечено использовать отходы углеобогащения для получения дренажных труб в Канско-Ачинском и Экибастузском районах.

Довольно широко освоено промышленное получение керамических кварц-полевошпатовых концентратов из отходов обогащения редкометальных пегматитов на Урале, в Сибири, Казахстане. Высококачественное керамическое кварц-полевошпатовое сырье можно получать по уже разработанным технологиям из каолинит-полевошпато-кварцевых песков. Могут быть утилизированы при составлении керамических масс хвосты обогащения ильменитовых, вольфрам-молибденовых руд, каолина. Применяются в производстве керамических плиток в качестве интенсификаторов спекания нефелин-эгирин-полевошпатовые отходы обогащения редкоземельных руд. Они снижают температуру обжига, уменьшают водопоглощение, увеличивают механическую прочность. Исследования, проведенные Харьковским политехническим институтом, показали, что нефелин-эгирин-полевошпатовые отходы можно использовать также в производстве фасадных плиток и плиток для пола. В настоящее время такие керамические плитки выпускает Мукачевский завод в Закарпатье. Введение в состав масс комбинированных интенсификаторов спекания позволяет получать изделия специального назначения с высокими физико-механическими свойствами.

Перспективным керамическим сырьем, пригодным в качестве плавня, являются некоторые отходы камнедробления. Экспериментальные исследования отсевов переработки сиенитов Кальчикской дробильно-сортировочной фабрики в Донецкой области показали, что их шихтование с гидрослюдисто-каолинитовой глиной обеспечивает интенсификацию спекания. В 1984 г. на Славянском керамическом комбинате выпущено 60 тыс. м 3 керамических плиток с использованием отсева Кальчикской дробильно-сортировочной фабрики.

Широкое применение может получить техногенное сырье и в стекольной промышленности, где оно способно полностью заменять природный кварцевый песок. В этом отношении наиболее перспективны отходы обогащения некоторых полезных ископаемых - ракушняковых фосфоритов, россыпных руд цветных металлов, остаточных каолинов, каолинит-кварцевых песков. Разработанные технологии дообогащения этих отходов позволяют получать не только тарное, но и техническое, а также листовое стекло. Очень ценно то, что перечисленные виды стекольного техногенного сырья имеются в тех районах, где природного сырья недостаточно, а потребности в нем велики,- в Сибири, на Дальнем Востоке, в Средней Азии, в Ленинградской области. Тем не менее, они пока практически не используются.

Некоторые хвосты флотации руд цветных металлов могут находить применение в производстве тарного стекла. Исследования, проведенные в Грузии, показали, что темно-зеленое бутылочное стекло, полученное из отходов обогащения полиметаллических руд Квайсинского рудоуправления, не уступает по качественным показателям стеклу из привозных песков Таманского месторождения в Краснодарском крае. Установлена также пригодность для получения темно-зеленой стеклотары хвостов обогащения медноколчеданных руд Маднеульского ГОКа.

На основе металлургических шлаков и золошлаковых отходов тепловых электростанций получают ценный стеклокристаллический материал - шлако- и золоситаллы, характеризующиеся высокой износостойкостью, огнеупорностью, устойчивостью к действию кислот и щелочей, практически нулевым водопоглощением, декоративностью.

Шлакоситаллы получают из охлажденных доменных кислых и основных шлаков, которые вводятся в шихту в количестве 40-70 %, Технология применения огненно-жидких доменных шлаков пока не отработана.

Золоситаллы - ситаллы на основе золы-уноса тоже пока в СНГ не выпускаются, хотя имеется разработанная технология. Полученные на экспериментальном заводе Кировского филиала Росоргтехстрома золоситалловые плитки характеризуются хорошим качеством и невысокой себестоимостью.

Для производства ситаллов могут быть утилизированы также отходы обогащения титановых руд, хвосты мокрой магнитной сепарации.

Установлено, что отходы мокрой магнитной сепарации железных руд пригодны для получения марблитового стекла, пеностекла. Технология производства марблита с использованием отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов КМА апробирована на Константиновском заводе "Автостекло". На Гомельском стекольном заводе им. М.В. Ломоносова выпущена опытная партия пеностекла с использованием тех же отходов. Полученное пеностекло обладает не только звуко- и теплоизоляционными свойствами, но и высокой декоративностью.

В МХТИ им. Д.И. Менделеева на основе доменных шлаков разработан новый декоративный материал сигран - синтетический гранит, по фактуре напоминающий природный. Сигран можно изготавливать в виде непрерывной ленты и прессованных плит. Вводя красители, можно получать материал различной окраски. Плотность сиграна 2600-2800 кг/м 3 , прочность на сжатие - 500-550 МПа. Согласно проекту, выполненному для Калужского завода, технологическая линия по производству сиграна обеспечит выпуск 100 тыс. м 3 плиток в год.

Минеральные отходы могут эффективно использоваться не только в производстве керамических и стекольных изделий, но и многих других, строительных материалов.

В СНГ в больших количествах получают минеральную вату из шлакового щебня. При этом требуется значительно меньше сырья, топлива и электроэнергии, чем при ее производстве из горных пород. Для этих целей наиболее пригодны доменные кислые шлаки, богатые кремнеземом и глиноземом и не содержащие металл. Основные шлаки следует подкислять введением кислых присадок, повышающих текучесть. Применяются также электротермофосфорные шлаки. Требования к качеству шлакового щебня для производства минеральной ваты регламентируются ГОСТом 18866-81.

Минеральную вату можно получать и на основе отходов сжигания углей на тепловых электростанциях. Соответствующая технология разработана в НИИстромпроекте (г. Алма-Ата) .

Огненно-жидкие шлаки являются ценным сырьем для получения литых изделий - высокопрочных, износостойких и химически инертных материалов для облицовки технологических аппаратов и узлов. Производство литых изделий из шлаков значительно экономичнее, чем из природного сырья (базальтов, диабазов и др.). В СНГ оно пока развито слабо. Металлургические шлаки применяются в расплаве с горными породами для футеровки внутреннего слоя трубопроводов. Используются они также при изготовлении литых крупноразмерных плит. В небольших масштабах организовано промышленное производство шлаковой брусчатки на Урале на предприятиях Нижнего Тагила и Чусового.

Изучение возможности использования зол ТЭЦ для получения каменных строительных материалов проводится в ГИСе. Разработана технология применения измельченных шлаков ТЭЦ-22 (г. Москва) для получения наполнителя кислотостойких замазок.

Самые оригинальные и, пожалуй, самые ценные компоненты золы - алюмосиликатные полые микросферы (АСПМ). Представляют собой полые, почти идеальной формы силикатные шарики с гладкой поверхностью, диаметром от 10 до нескольких сотен микрометров, в среднем около 100 мкм. Толщина стенок от 2 до 10 мкм, температура плавления 1400-1500°С, плотность 580- 690 кг/м 3 .

Образование микросфер происходит следующим образом. При высоких температурах силикатный минеральный материал углей плавится и в газовом потоке продуктов сгорания дробится на мельчайшие капли. Газовые включения в минеральных частицах при нагреве расширяются и раздувают отдельные капли расплава. Те капли, в которых внутреннее давление газа уравновешивается силами поверхностного натяжения, образуют полые шарики. В остальных происходит разрыв капель (внутреннее давление больше сил поверхностного натяжения), либо они остаются просто силикатными шариками, сплошными или пористыми (поверхностное натяжение больше внутреннего давления). Содержание АСПМ в золошлаковых материалах составляет обычно десятые доли процента, тем не менее, их «производство» на крупных теплоэлектростанциях России может достигать нескольких тысяч тонн в год.

Ценность АСПМ определяется тем, что они - идеальные наполнители. Для придания многим изделиям из пластмасс и керамики необходимых свойств, например для снижения плотности (веса) изделий, повышения тепло-, электро- и звукоизоляционных характеристик, в их состав вводятся изготавливаемые промышленными способами стеклянные микросферы. Это довольно сложный процесс. Так почему бы не использовать для этих целей уже готовые микросферы - АСПМ из золы угольных теплоэлектростанций? По приблизительным подсчетам, стоимость таких микросфер в десять и более раз ниже, чем микросфер, получаемых промышленными методами.

Полимерные материалы с микросферами (так называемые сферопластики) используются при изготовлении разных плавсредств (лодок, сигнальных буёв, блоков плавучести, спасательных жилетов и др.), мебели, радиопрозрачных теплоизоляционных экранов для радиотехнической аппаратуры, изоляции теплотрасс, дорожно-разметочных термопластиков и пр. АСПМ успешно применяют в составе цементных растворов при изготовлении «лёгких» бетонов и теплоизоляционных жаростойких бетонов. Имеются патенты на использование АСПМ при бурении геологоразведочных и эксплуатационных скважин. Это далеко не полный перечень возможностей применения АСПМ.

Важно отметить, что в отличие от других компонентов полые микросферы сравнительно просто выделяются из золы. Благодаря низкой плотности они всплывают на поверхность воды гидротехнических сооружений (прудов-отстойников, каналов оборотной воды) и могут быть собраны любыми, в том числе самыми простыми, средствами.

АСПМ пользуются большим спросом за рубежом. Однако готовые приобретать их фирмы требуют высокой степени очистки материала от посторонних примесей. Кроме того, во многих технологиях используются только микросферы определённого размера (диаметра). Всё это требует соответствующей производственной базы. Высокая стоимость подготовленных подобным образом АСПМ на мировых рынках минерального сырья гарантирует экономическую эффективность предприятий по их «производству».

Большие перспективы открывает использование продуктов камнеобработки в производстве отделочных материалов - клеевых плит, мозаичных плиток на цементном вяжущем и крошке. Для этих целей пригодны отходы обработки большинства облицовочных и пильных камней, многих рудоносных пегматитов.

В СНГ не нашел пока еще применения шлам камнеобработки -порошкообразный продукт резания, составляющий 25-33 % от массы поступающего на обработку камня. Однако установлено, что и этот шлам можно использовать, частично заменяя цемент в производстве прессованных облицовочных плит. Результаты промышленных испытаний показали, что при замене шламом до 50 % цемента получаются плиты более высокого качества, чем на одном цементе.

В заключение следует сказать, что возможности утилизации отходов обогащения полезных ископаемых, металлургических и электротермофосфорных шлаков, золошлаковых отходов тепловых электростанций значительно шире, чем было показано выше. Так, из отходов переработки слюдяных пегматитов можно получать мелкоразмерную слюду, из хвостов обогащения вермикулита - оливиновый концентрат, из отходов флотации сульфидно-никелевых руд - тальковый концентрат и т.д. Металлургические шлаки можно применять в стекольном производстве. Многие отходы переработки карбонатных пород пригодны для получения извести. Большие возможности использования в промышленности строительных материалов имеют отходы производства фосфорной кислоты - фосфогипсы, из которых можно получать гипсовые вяжущие, сульфатизированные цементы, известь и др. Отходы флотации серных медно-колчеданных, марганцевых руд, золошлаковые отходы тепловых электростанций являются хорошими наполнителями асфальтобетонов.

Утилизация техногенного сырья почти всегда очень эффективна. Однако при этом следует учитывать, что она требует тщательного изучения качества отходов, его соответствия требованиям государственных, отраслевых стандартов и технических условий. Требуются новые технологии дообогащения отходов и производства изделий из них. Для реализации проектов использования отходов необходимы немалые капитальные затраты.

Пензенский государственный университет и архитектуры и строительства.Россия

Важнейшей задачей промышленности строительных материалов является разработка и внедрение эффективных, ресурсосберегающих технологий производства, экологически чистых материалов, изготавливаемых по малозатратным, безотходным технологиям с максимальным использованием местного сырья и техногенных отходов промышленности.

В последние десятилетия все большее внимание ученых привлекают крупнотоннажные побочные продукты и отходы различных отраслей промышленности с целью использования их в строительстве.

Значительную группу техногенных продуктов составляют минеральные шламы, образующиеся при нейтрализации заводских стоков предприятий химической, машиностроительной, химико-фармацевтической, стекольной и других отраслей промышленности, а также в процессе химической подготовки и осветления воды на предприятиях энергетического комплекса. В большинстве случаев минеральные шламы представляют собой ультрадисперсные, гетерогенные системы, которые в процессе последующей коагуляции и обезвоживания осаждаются и в отдельных случаях образуют структуры твердения. Высокая дисперсность и стабильный химический состав некоторых шламов открывают широкие перспективы применения их в качестве минеральных микронаполнителей и химических активаторов гидратации и структурообразования цементных и композиционных материалов.

Теория и практика строительного материаловедения свидетельствуют о том, что цементные растворы и бетоны постепенно переходят из разряда 4-5 компонентных систем в разряд 7-8 и более компонентных систем, наполненных модификаторами различного функционального назначения.

Преимущество структуры цементной матрицы с микронаполнителем заключается в том, что в ней создаются благоприятные условия для формирования межчастичных контактов, во многом определяющих прочность материала. В таких структурах локализуются внутренние дефекты и снижается концентрация напряжений, возникающих в процессе гидратации и твердения.

При рассмотрении механизмов повышения прочности наполненных цементных систем, особенно при использовании тонкодис­персных химически активных наполнителей, особое внимание должно уделяться изучению процессов гидратации, структурообразования и кристаллизации, обеспечивающих, в конечном итоге, прочность и основные свойства твердеющих композитов.

В технологии современных растворов и бетонов все большее значение приобретают высокотехнологичные смеси, модифицированные суперпластификаторами (СП) и комплексными добавками на их основе.

Известно, что тонкомолотые минеральные порошки, полученные на основе природных материалов, и тонкодисперсные техногенные шламы, в отличие от цементных систем в значительной большей степени подвержены разжижающему влиянию суперпластификаторов. Это объясняется тем, что минеральные порошки, являющиеся инертными по отношению к воде, не проявляют гидравлической активности и, следовательно, не связывают воду в гидраты на ранних этапах гидратации. Минералы цементного клинкера и, особенно, алюминатные фазы с первых секунд водозатворения образуют гидраты, включающие в свою структуру большое количество молекул воды (С 2 АН 8 , САН 10 , С 4 А (F) H 13 , C 4 A (F) Н 19 и др.), снижая тем самым эффективность действия практически всех пластификаторов и СП.

Введение в цементные системы тонкодисперсных минеральных наполнителей, инертных по отношению к воде, позволяет создавать необходимые реологические условия для получения высокотехнологичных и удобоукладываемых смесей и формирования плотно упакованных структур твердения. Высокая плотность структуры может быть достигнута за счёт введения в систему 2-3 фракций минеральных микронаполнителей, близких друг к другу по кристаллохимическому строению, и наиболее целесообразным в этом случае является использование микронаполнителей, параметры кристаллических структур которых соизмеримы с аналогичными параметрами гидратных фаз цементных систем.

Значительный научный и практический интерес представляют исследования процессов гидратации и твердения цементных материалов с добавками на основе карбоната кальция. Во многих исследованиях, касающихся механизмов гидратации и твердения цементных систем, наполненных тонкодисперсным кальцитом, отмечается значительное повышение прочности и улучшение других физико-механических свойств материалов. Однако механизмы карбонатной активации гидратации цементных систем, протекающие на молекулярном уровне, исследованы недостаточно.

Исследования механизмов активирующего действия тонкодисперсных карбонатных наполнителей с помощью методов рентгенеструктурного анализа позволяют выявить некоторые аспекты карбонатной активации гидратированных цементных систем и характер образования гидратов в присутствии микронаполнителей.

С целью определения влияния карбонатного микронаполнителя на состав продуктов гидратации цементных систем была проведена серия рентгенофазовых исследований минералов цементного клинкера и цемента, гидратированных в присутствии тонкодисперсного кальцита. В качестве микронаполнителя был принят карбонатный шлам, образующийся на предприятиях энергетики в процессе химической подготовки воды, в состав которого входят тонкодисперсный кальцит (Syfl = 15-17 тыс. см2/г) и остаточное количество гидроксида железа.

Анализ состава продуктов гидратации C 3 S и (3-C 2 S с добавками карбонатного шлама показал, что в присутствии тонкодисперсного кальцита происходит активация гидратации силикатных фаз цемента с образованием из­быточного количества извести и формированием тоберморитоподобных гидросиликатов кальция. Об этом свидетельствует снижение интенсивности линий безводных силикатных минералов на рентгенограммах гидратированных C 3 S и p-C 2 S, увеличение интенсивности линий Са(ОН) 2 (4,93; 2,63; 1,93 А и др.) и отражений, характерных для тоберморитового геля (3,05; 2,82 А).

Аналогичные выводы получены при анализе результатов рентгенофазовых исследований образцов цементного камня с добавкой карбонатного шлама, твердевших в нормальных условиях в срок до 1 года. Анализ состава продуктов гидратации цемента с добавкой карбонатного шлама свидетельствует о том, что одним из возможных механизмов активации гидратации силикатных фаз является образование гидросиликатных фаз, близких по структуре к тобермориту и ксонотлиту. Отражения, характерные для этих гидратов, отмечены в области малых углов (до 15°) на рентгенограммах цементного камня в возрас­те 60 сут.

В сложной системе Si0 2 -CaO-H 2 0 невоспроизводимость большинства твёрдофазовых реакций связана не только с особенностями конденсационных и кристаллизационных процессов при формировании гидросиликатов кальция, но и с огромной ролью дефектов структур различных видов и уровней. Одни и те же реакции с участием одних и тех же реагентов, протекающих при равных условиях, могут давать совершенно различные продукты. Дефекты могут существенно изменять скорость диффузионных процессов, влиять на возникновение зародышей кристаллизации и, в целом, на реакционную способность реагентов. Кроме того, в силикатных системах могут формироваться не только структуры с вполне определёнными параметрами кристаллических решёток и порядком кон­денсации кремнекислородных тетраэдров, но также смешанные и родственные структуры. Во многом формирование той или иной структуры зависит от «подвижности» атома кремния в структуре Si0 4 и способности тетраэдров приспосабливаться к электронному строению катионов и анионов, присутствующих в системе. Малейшее неуравновешенное смещение электронной плотности на связях -Si-О-, -Са-О- или в мостиках -Са-O-Si- и др. вследствие поляризационного влияния ионов может изменить ход и порядок конденсационных процессов. Это доказывается многочисленными ренгенофазовыми и дру­гими исследованиями гидратированных силикатных и цементных систем.

На основании выполненных рентгенофазовых исследований продуктов гидратации цементного камня в присутствии карбонатного шлама можно сделать заключение, что одним из основных механизмов повышения прочности цементных систем является активация образования гидросиликатов кальция и двойных солей на их основе с различной структурой и степенью конденсации кремнекислородных анионов. В присутствии катионов Al 3+ , Fe 3+, Na + , K+ , анионов SO 2- 4 , CO 2- 3 , и других имеющихся в составе шлама формируются напряжённо-деформированные (легированные) структуры гидросиликатов кальция, прорастающие друг в друга, уплотняющие систему и способствующие значительному повышению прочности.

Результаты рентгенофазовых исследований продуктов гидратации С 3 А свидетельствуют об активации образования в присутствии карбонатного шлама метастабильных гидроалюминатов кальция С 4 АН 19 , САН 10 и гидроалюминатов кубической структуры С 3 АН 6 . Установлено также стабильное при­сутствие в системе гидрокарбоалюмината кальция-ЗСаО*А1203*СаС03-12Н20(ГКАК-1). Однако при повышенных дозировках шлама (более 5% от массы вяжущего) на рентгеног­раммах отмечается стабильное появление линий кальцита, свидетельствующее о том, что часть СаС03 находится в несвязанном состоянии.

Значительное увеличение полуширины пиков гидратов ЗСаОАl 2 0 3 -СаС0 3 *12Н 2 0 и Са(0Н) 2 , отмеченное при анализе рентгенограмм С3А с добавкой карбонатного шлама, характеризует возможность искажения кристаллических решеток этих соединений. Подобное явление может быть объяснено встраиванием в структуру ГКАК-1 ионов Al 3+ , Мg 3+ и других, присутствующих в шламе. В наполненных системах при определенных условиях между частицами дисперсных кристаллических структур, например, Са(ОН) 2 и СаС0 3 , имеющих близкие параметры элементарной ячейки, могут возникать контактно-кристаллизационные взаимодействия, в результате которых кристаллы могут срастаться по определенным плоскостям с образованием прочных структур.

Аналогичное явление отмечается для гидратов AFm-фаз, кристаллы которых при определенных условиях могут зарождаться на поверхности тонкодисперсного кальцита и образовывать структуры срастания по бездефектным плоскостям с близкими параметрами элементарной ячейки.

Установлено, что состав продуктов AFm-фаз цементного камня с добавкой карбонатного шлама представлен на ранних стадиях эттрингитом и на более поздних - гидросульфоалюминатом кальция моносульфатной формы (МГСАК), гидрокарбоалюминатами кальция и гидратами AFm-фаз. Разрушение эттрингита может происходить с образованием сложных радикалов, в которых место группы SO 4 2- могут занимать ОН-группы, однако при одновременном присутствии в системе анионов SO 4 2- и С0 3 2- образовавшийся комплекс может снова перейти в эттрингит, либо в гидрокарбоалюминат кальция 3CaO*AI 2 0 3 *3CaC0 3 *32H 2 0 (ГКАК-3). Отражения, характерные для ГКАК-3, отмечены на рентгенограммах цементного камня с добавкой карбонатного шлама. При избытке в системе Са(ОН) 2 сложные радикалы могут реагировать с анионами SO 4 2- и С0 3 2- с образованием таумасита.

Кристаллы САН 10 , имеющие форму гексаго­нальных призм, так же как и кристаллы эттрингита, на ранних стадиях твердения армируют и упрочняют систему. Очевидно, что одной из причин повышения пластической ранней прочности цементных систем в присутствии карбонатных шламов является активация образования гидратов AFm и A Ft - фаз. Установлено, что в цементной системе с добавкой тонкодисперсного кальцита формируются не только устойчивые структуры гидросульфо-алюминатов кальция и гидратов AFm-фаз, но и активируется образование гидрокарбоалю-минатов кальция (ГКАК-3 и ГКАК-1). Кроме того, в присутствии гидратов САН 10 , AI(OH) 3 и Са(ОН) 2 возможно вторичное формирование эттрингита, а при избытке СаС0 3 - образование 3CaO*AI 2 0 3 * 3CaC0 3 *32H 2 0 и ЗСаО*Аl 2 0 3 -СаС0 3 -12Н 2 0.

Вместе с тем следует отметить, что сформированные на раннем этапе твердения метастабильные гидроалюминатные фазы (С 4 АН 13_19 , С 2 АН 8 , САН 10) со временем в зависимости от условий твердения могут перекристаллизовываться в наиболее стабильную кубическую фазу С 3 АН 6 . Перекристаллизация вызывает уменьшение объёма твёрдой фазы и соответственно увеличение пористости материала, что ведёт к временному снижению прочности. Однако в большинстве случаев это снижение незначительно и компенсируется высокой прочностью силикатных фаз цементного камня.

Анализ фазового состава с учётом вышеприведённых данных в определённой степени позволяет судить о характере поведения цементных материалов и предвидеть возможность снижения прочности вследствие перекристаллизации гидроалюминатных фаз. Однако при этом следует учитывать характер изменения пористости материала, поскольку известно, что более плотные гидроалюминатные структуры дают меньшую прочность, чем менее плотные, при высокой пористости, но более высокую прочность при меньшей пористости.

Рассматривая возможность химического взаимодействия карбоната кальция с продуктами гидратации цемента, следует иметь в виду чрезвычайно широкое разнообразие габитусов кристаллов кальцита, что позволяет последним служить хорошей подложкой для наращивания гидратных новообразований цементного камня.

Таким образом, в присутствии карбонатного шлама создаётся плотная структура цементного композита, которая на ранних стадиях упрочняется вследствие активации процессов образования гидратов AFm и A Ft -фаз и на более позднем этапе - вследствие кристаллизации гидроортосиликатов кальция с различной структурой и степенью конденсации кремнекислородных тетраэдров. Выделение из структуры композита сверхструктуры пластинок, призм, игл, волокон, сеток и т. д., способствует повышению прочности цементного камня (рис. 1). Гидросиликаты кальция это неустойчивые, активные и химически независимые образования. Обладая большой реакционной способностью, гидросиликаты кальция связывают в единую структуру все компоненты твердеющей системы. Чем более когерентно связаны метастабильные кристаллы выделяющейся фазы, тем выше прочность материала.

В цементных системах с минеральными микронаполнителями при оптимальном количестве жидкости создаются благоприятные условия для формирования межчастичных контактов срастания в стеснённых условиях, обеспечивающих высокую плотность и прочность структуры уже на ранних этапах гидратации. В начальный период твердения в процессе физического и химического связывания воды частицами цемента происходит непропорциональный прирост объема твердой фазы и геометрические размеры частиц увеличиваются при одновременном уменьшении толщины водных прослоек между ними. В присутствии минеральных наполнителей связывание воды затворения происходит в меньшей степени, а процесс твердения обеспечивается за счет сближения частиц и кристаллизации гидратов из пересыщенных растворов не только на поверхности цементных частиц, но и в точках соприкосновения, а также на поверхности минеральных частиц. В такой структуре происходит активация гидратационных процессов и создается возможность наращивания гидратов, близких по параметрам кристаллических структур к структуре кальцита, на активных гранях карбонатного наполнителя.

При высоких пересыщениях в наполненной цементной системе и малых зазорах между частицами, в местах контактов вследствие разности пересыщения в зонах контактов и вне их развивается градиент концентрации, способствующий образованию кристаллизационных мостов между смежными частицами (рис. 2), приводящих к срастанию частиц и значительному повышению прочности.

Анализ основных направлений развития теории и практики многокомпонентных бетонов нового поколения свидетельствует о том, что для получения высокопрочных материалов в качестве одного из основных компонентов полифункциональных модификаторов используется микрокремнезем или другие ультрадисперсные минеральные компоненты, позволяющие связать гидратную известь в гидросиликатную матрицу композита, обеспечивая при этом дополнительный прирост прочности.

Наиболее эффективными являются минеральные микронаполнители (например, тонкомолотая каменная мука), которые, наряду с высокой реологической способностью по отношению к суперпластификаторам, будут обладать химической активностью в гидратирующейся цементной системе. Каменная мука, полученная из кремнеземсодержащих плотных природных материалов, может быть использована в технологии высокопрочных бетонов, в количестве до 50% от массы цемента. При этом количество цемента в составах с микронаполнителем не снижается, вследствие чего улучшаются не только реологические характеристики бетонных смесей, но повышается плотность и прочность бетона, а, следовательно, морозостойкость, непроницаемость и коррозионная стойкость. Менее плотные, в том числе карбонатные породы и минеральные шламы, могут быть использованы для повышения плотности и прочности растворов и бетонов средних классов по прочности. С использованием подобных минеральных микронаполнителей могут быть получены бетоны с высокими эксплуатационными свойствами, причем из бетонных смесей высокоподвижной и литой консистенции на обычном ПЦ400, при расходе цемента до 500 кг/м3и заполнителях из обычных горных пород.

Исследования влияния минеральных шламов на процессы гидратации и твердения цементных растворов и бетонов, выполненные совместно с анализом механизмов действия шламов на различных уровнях и стадиях формирования структуры цементных композиций, показали целесообразность применения шламов в цементных строительных материалах в качестве добавок - активаторов твердения растворов и бетонов, улучшающих также реологические и технологические свойства растворных и бетонных смесей.

За последние 15 лет минеральные шламы широко применяются в строительных организациях г. Пензы и области. Только на предприятии ОАО «Жилстрой» в период с 1996 по 2007 г.г. было использовано более 10 тыс. т карбонатных и гипсосодержащих шламов в производстве строительных и штукатурных растворов. Внедрение передовой технологии позволило отказаться от использования в композиционных цементных растворах дорогостоящей извести, подготовка которой требовала больших экономических затрат и строгого соблюдения санитарно-гигиенических условий труда.

Исследования, проведённые на 10 основных видах цементов, используемых в строительстве, показали, что оптимальное количество минеральных шламов в цементных системах составляет 10-15% от массы вяжущего. В этом случае достигается повышение прочности цементных растворов на 20-25%, что позволяет снижать расход вяжущего на 15-20%. Кроме того, значительно улучшаются технологические свойства растворных и бетонных смесей.

Получены экспериментальные данные о влиянии на прочность цементных композиций комплексных минеральных добавок на основе карбонатного шлама и кремнезёмсодержащих местных сырьевых материалов (опока, трепел и др.). В свою очередь, это позволит значительно расширить область применения этих добавок в производстве не только строительных материалов, но и сухих смесей. Проводятся исследования возможности использования карбонатного шлама в смеси с пластифицирующими, воздухововлекающими и другими добавками, а также с супер- и гиперпластификаторами. Перспективным направлением применения карбонатных и смешанных шламов является их использование в технологии пенобетонных конструкций.

С целью расширения масштабов применения минеральных шламов в строительстве разработаны технологические схемы подготовки шламов для использования в этой отрасли, технические условия и рекомендации по применению шламов в производстве строительных растворов.

Массовое вовлечение крупнотоннажных шламовых отходов различных отраслей промышленности в производство строительных материалов становится одной из важнейших задач строительного материаловедения. Решение этой проблемы позволит получать не только высокие экономические эффекты за счёт рационального использования цемента, но и имеет огромное природоохранное значение.

Мы продолжаем серию публикаций о минерально-сырьевой базе промышленности строительных материалов регионов нашей страны. Информация любезно предоставлена Центральным научно-исследовательским институтом геологии нерудных полезных ископаемых (г. Казань).

КРАСНОДАРСКИЙ КРАЙ

Краснодарский край - один из крупнейших субъектов Южного федерального округа, где осуществляется 38% объема работ, выполненных в этом округе по договорам строительного подряда (44548, 3 млн. рублей в 2003 г.). Промышленность строительных материалов Краснодарского края занимает 4 место (8, 1%) в отраслевой структуре производства промышленной продукции после пищевой промышленности, электроэнергетики, машиностроения и металлообработки. Краснодарский край занимает второе место в России по производству строительного кирпича, четвертое - по производству цемента и пятое место - по выпуску сборных железобетонных изделий и конструкций.

Минерально-сырьевая база промышленности строительных материалов края, представленная запасами и ресурсами строительного камня, песчано-гравийных материалов, строительных и силикатных песков, цементного сырья, карбонатных пород для производства извести, гипса, кирпичных и керамзитовых глин, создает благоприятные условия для успешного функционирования строительного комплекса (табл.1).

Государственным балансом цементного сырья в Краснодарском крае учтено б месторождений, в том числе 5 месторождений мергелей и одно - гидравлических добавок (опок). Суммарные промышленные запасы на 1 января 2004 г. составляют по мергелям - 744, 4 млн. т, по опокам - 86, 8 млн. т.

В разработку вовлечены 5 месторождений, одно месторождение мергелей находится в Государственном резерве. Суммарные промышленные запасы разрабатываемых месторождений составляют 582, 7 млн. т, из них 495, 9 млн. т - мергели и 86, 8 млн. т - опоки. Добыча за 2003 г. составила 4918 тыс. т (43% добычи в Южном федеральном округе), из них мергели - 4546 тыс. т и опоки - 372 тыс. т. Добычу и переработку цементного сырья в 2003 г. осуществляли ОАО "Новоросцемент" и "Верхнебаканский цемзавод".

В составе ОАО "Новоросцемент" действуют три цементных завода. Сырьевой базой заводов "Пролетарий" и "Октябрь" служит месторождение мергелей Новороссийское 1+3; цементный завод "Первомайский" разрабатывает Новороссийское 4 месторождение мергелей. Карьер "Нижнебаканский" действует на базе Баканского месторождения опок. Суммарный объем добычи составил в 2003 году 4081 тыс. т мергелей и 194 тыс. т опок, на базе которых произведено 5719 тыс. т клинкера, 2649 тыс. т цемента для потребителей Краснодарского края и других регионов. Спектр выпускаемого портландцемента чрезвычайно широк: портландцемент М-500, портландцемент М-бОО, портландцемент для асбоцементных изделий, тампонажный, быстрозатвердевающий, сульфатостойкий.

Сырьевой базой ОАО "Верхнебаканский цемзавод" является Верхнебаканское месторождение мергелей, где в 2003 г. было добыто 251 тыс. т мергелей, из которых произведено 164 тыс. т сульфатостойкого портландцемента.

Общий объем производства цемента в 2003 г. по Краснодарскому краю составил 2812, 9 тыс. т, или 42, 5% его выпуска в Южном округе.

Правом отработки Новороссийского 2 месторождения мергелей обладает ЗАО "Атакайцемент ЛТД"; в 2003 г. предприятие добычных работ не вело и цемент не производило.

Обеспеченность действующих горнодобывающих предприятий сырьем превышает 100 лет.

В крае расположены четыре месторождения гипса (Шедокское, Бесленеевское, Передовское, Передовское II) с суммарными запасами промышленных категорий 62410 тыс. т, одно из которых - Шедокское - с запасами 27687 тыс. т разрабатывается ОАО "Кубанский гипс-Кнауф". Это месторождение входит в число 12 главнейших в России месторождений. Добыча гипсового камня в 2003 г. составила 510 тыс. т (7, 8% добычи по России). Основным его потребителем является ЗАО "Белгородский гипс".

Гипс используется для производства гипсовых вяжущих материалов (строительного гипса) и добавок в различные виды цемента, кроме того, в небольших объемах может быть использован как облицовочный камень для внутренней облицовки зданий. Наибольшее применение имеет строительный гипс, получаемый путем обжига гипсового камня. Он применяется для штукатурных и отделочных работ, изготовления гипсокартонных перегородочных, звукопоглощающих плит и др. Строительный гипс должен отвечать требованиям СТ СЭВ 826-77, лимитирующим сроки схватывания, степень помола и предел прочности на сжатие. Высокопрочный гипс применяется для изготовления гипсобетона, строительных деталей и изделий. Гипсовое сырье должно отвечать требованиям ГОСТа 4013-82.

Минерально-сырьевая база строительного камня Краснодарского края насчитывает 31 месторождение с суммарными запасами промышленных категорий 261, 4 млн. куб. м. Промышленностью освоены 19 месторождений, из которых в 2003 г. разрабатывались 13. Общий объем добычи составил 1813 тыс. куб. м. Строительный камень представлен известняками, известняками-ракушечниками, песчаниками, мергелями. Наиболее крупные объемы строительного камня добываются ОАО "Медвежья Гора" на Дербентском месторождении известняковых конгломератов; карьероуправлением "Анапское" на Веселенском месторождении ракушечника; управлением строительства N 12 УМР - 406 на месторождении мергеля Шесхарис; ОАО "Автобан" на Кобзинском месторождении конгломерата, гравелита, песчаника; филиалом ООО "Магистраль - Кавказ" на участке Карьер ОАО "Неруд - АО" Адербиевского месторождения мергеля.К освоению подготавливаются Неберджаевское II месторождение известняка и Медвежьегорское - известкового конгломерата.

РОСТОВСКАЯ ОБЛАСТЬ

Ростовская область - один из крупнейших субъектов Южного федерального округа. Занимает 2 место в округе по площади занимаемой территории (после Волгоградской области) и численности населения (после Краснодарского края). По объему произведенной в 2003 г. промышленной продукции - 119, 9 млн. руб., область занимает 1 место в округе (26, 3%).

Основой научно-технического и экономического потенциала области являются машиностроительный (23, 9%), топливно-энергетический (17, 9%) комплексы и пищевая (23, 1%) промышленность.

Здесь осуществляется 14, 7% объема работ, выполненных в округе по договорам строительного подряда (17025, 4 млн. рублей в 2003 году). Доля промышленности строительных материалов области в отраслевой структуре производства промышленной продукции составляет 3, 6%.

Ростовская область занимает 2 место в округе по производству строительного кирпича, сборных железобетонных конструкций и изделий, 4 место по производству цемента.

Минерально-сырьевая база строительных материалов Ростовской области представлена запасами цементного сырья, карбонатных пород на известь, глино-гипса, строительных и пильных камней, тугоплавких глин для строительных изделий, керамзитового сырья и др. (табл. 2).

В Южном федеральном округе Ростовская область выделяется запасами и добычей строительного камня. Здесь сосредоточено 47, 8% промышленных запасов и 44, 5% добычи округа. Камень представлен осадочными породами - песчаниками и известняками, из которых получают щебень высокой и средней прочности.

По состоянию на 1.01.04 г. в области насчитывается 82 месторождения строительного камня с общими запасами промышленных категорий 865, 0 млн. куб. м (табл.1), из которых в разработку вовлечено 49 с суммарными запасами категорий А+В+С1 - 335, 6 млн. куб. м, однако разрабатывались в 2003 г. 22 месторождения. Добыча составила 3363 тыс. куб. м.

Наиболее крупные объемы строительного камня добываются ОАО "Волгодон" на месторождении Жирновское (известняк); ОАО "Апанасовское" на месторождении Провальское II (известняк); Дорожным предприятием "Путь" на месторождениях песчаников Мало-Гнилушанское, Аютинское I; ОАО "Богураевнеруд" на месторождениях Богураевское (известняк) и Репнинское (песчаник); ОАО "Нерудпром" на месторождении песчаника Мартынов Курган и др.

В нераспределенном фонде находятся 33 месторождения. Их суммарные запасы кат. А+В+С1 составляют 529, 4 млн. куб. м.

В строительном комплексе области широко применяются в горные породы, используемые для получения пильного камня. Применение пильных камней и блоков эффективно в разных климатических, сейсмических, экономических условиях. В промышленности используются в основном органогенные и органогенно-хемогенные оолитово-ракушечниковые разности известняков.

В соответствии с требованиями ГОСТа стеновые камни и блоки подразделяются на марки в зависимости от предела прочности на сжатие - от 4 кгс/кв. см для камней и от 25 кгс/кв. см для блоков до 400 кгс/кв. см.

В Ростовской области Государственным балансом учтено 4 месторождения пильного камня, представленного известняком-ракушечником. Суммарные запасы категорий А+В+С1 на 1.01.2004 г. составляют 2918 тыс. куб. м (5, 1% запасов округа). Разрабатываются два месторождения: Большелогское (ТОО "Стройматериалы"), и Пролетарское II (ООО "Донстройматериалы"). Суммарная добыча по области составила в 2003 г. 28 тыс. куб. м, или 15, 2% добычи пильного камня в Южном федеральном округе.

В Ростовской области учтены 3 месторождения тугоплавких глин с суммарными запасами кат. A+B+C1 14057 тыс. т (97, 3% запасов округа). В разработку вовлечены два месторождения, одно относится к Государственному резерву.

Тугоплавкие глины используются в основном для производства изделий грубой керамики (кислотоупорных изделий, канализационных труб, дренажных труб, плиток для полов и др.).

Единых требований к качеству сырья для грубой керамики, регулируемых государственными стандартами, нет. Пригодность устанавливается по качеству готовых изделий. На изготовление кислотоупорных изделий идут низкоспекающиеся среднепластичные тугоплавкие глины. Они не должны иметь включений серного колчедана, гипса и железистых соединений, а содержание карбонатов Ca и Mg не должно превышать 3%. Для производства канализационных труб и плиток для полов используются тугоплавкие глины, обладающие пластичностью, однородным составом и имеющие низкую температуру спекания и интервал спекания не менее 200°С. При обжиге глины должны давать плотный спекающийся черепок без деформации, пятен, выплавок и мушек.

В 2003 г. эксплуатировалось одно месторождение - Владимировское, входящее в перечень главнейших месторождений России. Разрабатывает его АООТ "Владимировский карьер тугоплавких глин". Запасы его - 10912 тыс. т (2, 6% запасов России, или 75, 5% запасов округа). Добыча за 2003 г. составила 255 тыс. т. Глины используются для изготовления технического и электротехнического фарфора, полуфарфора, фаянса, кислотоупорных и термокислотоупорных плиток, плиток для полов и для внутренней и наружной облицовки, канализационных труб, тугоплавкого и высокопрочного лицевого кислотоупорного кирпича. Предприятие обеспечено сырьем на 28 лет.

В Ростовской области расположены пять месторождений глино-гипса с суммарными запасами промышленных категорий 4107 тыс. т. Все они находятся в Государственном резерве.

Государственным балансом цементного сырья в Ростовской области учтено 1 месторождение карбонатных пород (мергели), находящееся в Государственном резерве. Запасы месторождения по промышленным категориям на 1.01.2004 г. составляют 25, 9 млн. т.

Минерально-сырьевая база промышленности строительных материалов Краснодарского края и Ростовской области создает достаточно благоприятные предпосылки для обеспечения внутренних потребностей строительного комплекса и вывоза строительных материалов на окружной и федеральный рынки.

[Графические материалы:

Таблица 1 Важнейшие виды минерального строительного сырья в Краснодарском крае

Таблица 2 Важнейшие виды минерального строительного сырья Ростовской области

НАША СПРАВКА

Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт геологии нерудных полезных ископаемых (ФГУП "ЦНИИгеолнеруд") является базовой научной организацией Министерства природных ресурсов Российской Федерации в области геологического изучения, воспроизводства и использования минерально-сырьевой базы нерудных полезных ископаемых и обеспечения научно-методического сопровождения геологоразведочных работ (Распоряжение МПРРоссии N 144-р OT24.03.2003 г).

Институт был образован в 1945 г. в составе Казанского филиала АН СССР. В 1963 г. он вошел в систему НИИ Госгеолкома СССР (с 1965 г. Мингео СССР), в 1972 г. учреждение было реорганизовано во Всесоюзный научно-исследовательский институт геологии нерудных полезных ископаемых (в составе Мингео СССР с функциями головного по неметаллам), а с 1992 г. он становится Центральным научно-исследовательским институтом геологии нерудных полезных ископаемых МПР России.

В ЦНИИгеолнеруде ведутся фундаментальные и прикладные исследования. Спектр этих исследований широк: геология, прогноз, поиск и оценка месторождений неметаллических полезных ископаемых. Институтом также осуществляются контрольно-арбитражные функции, проходят комплексные лабораторные исследования и технологические испытания.

В институте действуют несколько центров: геолого-экономический, специализированный компьютерно-аналитический и аналитике-технологический сертификационный испытательный центр.

Геолого-экономический центр осуществляет научно-методическое обеспечение геологоразведочных работ, обоснование программ развития и использования минерально-сырьевой базы неметаллических полезных ископаемых, разработку проектов нормативно-правовых и методических документов, сопровождение геологического изучения недр и лицензирования недропользования.

Специализированный компьютерно-аналитический центр является составной частью федеральной информационно-аналитической системы МПР России и обеспечивает ведение Государственного банка цифровой геологической информации и информации по отрасли неметаллов.

Аналитико-технологический сертификационный испытательный центр проводит комплекс аналитико-минералогических и технологических работ по изучению и оценке нерудного сырья.

ФГУП "ЦНИИгеолнеруд" имеет Свидетельство о государственной аккредитации научной организации N4109 от 7 июня 2002 г. (Министерство промышленности, науки и техники России).

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Оптимизация тепловой обработки сырья при производстве строительных изделий, деталей и материалов; физико-химические превращения в обрабатываемом материале. Способы теплового воздействия на продукцию, определение наиболее эффективного режима установки.

курсовая работа , добавлен 26.12.2010


Технология плавки цветных металлов. Техника безопасности при производстве алюминия из вторичного сырья. Альтернативные способы получения алюминия из вторсырья. Использование индукционной тигельной и канальной печей. Применение электродуговых печей.

курсовая работа , добавлен 30.09.2011


Виды и схемы переработки различных видов древесного сырья: отгонка эфирных масел, внесение отходов в почву без предварительной обработки. Технология переработки отходов фанерного производства: щепа, изготовление полимерных материалов; оборудование.

курсовая работа , добавлен 13.12.2010


Экономия ресурсов, снижение вредного воздействия на экологию и утилизация отходов потребления как основная цель получения алюминия из вторичного сырья. Потенциальные источники вторичного алюминия в России, инновационные способы его производства.

курсовая работа , добавлен 29.09.2011


Сырье и материалы для производства консервной продукции, консервная тара. Нормы потерь и отходов сырья и материалов. Рецептура консервов, нормы расхода сырья и материалов. Выбор и расчет технологического оборудования. Безопасность пищевого сырья.

курсовая работа , добавлен 09.05.2018


Определение и ликвидация отходов предприятий города Михайловка. Рациональное потребление отходов как вторичного сырья. Определение класса опасности по ФККО (федеральный каталог классификации отходов). Технологические карты градообразующих предприятий.

отчет по практике , добавлен 31.01.2011


Проблема рационального использования вторичного молочного сырья. Химический состав, физические свойства и биологическая ценность, первичная обработка вторичного молочного сырья. Обработка микроорганизмами, протеолитическими ферментными препаратами.

курсовая работа , добавлен 04.10.2009

В настоящей статье рассматриваются пути рационального использования природного минерального сырья Якутии в технологии строительных материалов на основе инновационных подходов. Обоснована возможность расширения номенклатуры вяжущих веществ разработкой и освоением технологии производства специальных видов цемента, композиционных гипсовых вяжущих и эффективных строительных материалов на их основе. Отмечена целесообразность продвижения инновационных проектов СВФУ (кирпичный завод, производство автоклавного пенобетона и гранулированного пеностекла – пеноцеолита). Для труднодоступных районов Севера особую актуальность имеет создание быстроразворачиваемых производств тяжелого и легкого бетонов, стеновых изделий на основе ячеистого бетона, арболита и грунтобетона с использованием предлагаемых композиционных вяжущих на основе портландцемента, гипса, извести и активных минеральных добавок из кварцполевошпатового песка, горелых и цеолитсодержащих пород.

природное минеральное сырье

композиционные вяжущие вещества

строительные материалы

традиции и инновации

1. Стратегия развития промышленности строительных материалов Республики Саха (Якутия) на период до 2020 года / Минстрой РС(Я). URL: https://minstroy.sakha.gov.ru/ (дата обращения: 21.10.2017).

2. Пояснительная записка к обзорной карте месторождений строительных материалов Якутской АССР масштаба 1:2500000. Т. 1 и 2. – М.: Объединение «Союзгеолфонд», 1988. – 421 с.

3. Бердов Г.И., Ильина Л.В. Активация цементов действием минеральных добавок // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2010. – № 9. – С. 55–58.

4. Бикбау М.Я. Бетоны на наноцементах: свойства и перспективы / М.Я. Бикбау, Д.В. Высоцкий, И.В. Тихомиров // Технологии бетонов. – 2011. – № 11–12. – С. 31–34.

5. Монтянова А.Н. Специфические особенности закладочных работ на руднике «Мир» алмазодобывающей АК «АЛРОСА» / А.Н. Монтянова, Д.С. Кириллов, И.В. Штауб, Е.В. Бильдушкинов // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – 2012. – № 4. – С. 10–14.

6. Рожин В.Н., Местников А.Е. Пенобетоны на быстротвердеющем цементе из местного сырья Якутии // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 2–1. – С. 86–89.

7. Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережение. Сб. материалов III Всерос. научно-практ. конф. Якутск, Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова [Электронный ресурс]. – 2014. – С. 327–331. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=22217845 (Дата обращения: 21.10.2017).

8. Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энерго- и ресурсосбережения: сб. статей IV Всерос. научно-практ. конф., посвященной 60-летию Инженерно-технического института СВФУ им. М.К.Аммосова. под ред. доц. А.Е. Саввиной [Электронный ресурс]. – 2016. – С. 432–437. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=27590406 (дата обращения: 21.10.2017).

9. Федорова Г.Д., Матвеева О.И., Павлюкова И.Р., Васильев И.Г. Высококачественные бетоны для конструкций мостов и гидротехнических сооружений, эксплуатируемых в климатических условиях Якутии // Бетон и железобетон – взгляд в будущее: научные труды III Всероссийской (международной) конференции по бетону и железобетону (Москва, 12–16 мая 2014 г.) – Т. 5. – Москва: МГСУ, 2014. – С. 72–85.

10. Куба В.В., Егорова С.Ю., Егорова А.Д. Факторы, влияющие на прочность арболита на основе гипсоцементно-цеолитового вяжущего // Промышленное и гражданское строительство. – 2016. – № 8. – С. 42–45.

11. Богдокумова С.В., Егорова А.Д. Композиционные гипсовые вяжущие с применением горелых пород для пенобетонов // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки: сб. ст. по мат. XXVI междунар. студ. науч.-практ. конф. – 2017. – № 11(25). URL: http://sibac.info/archive/technic/11(25).pdf (дата обращения: 29.10.2017).

Разработка эффективных строительных материалов с использованием местной минерально-сырьевой базы регионов является одним из основных направлений инновационного развития Российской Федерации.

Известно, что территория Якутии богата минеральным сырьем для производства строительных материалов, что в настоящее время в полной мере не используется . С наступлением рыночных отношений в республике были закрыты многие энергоемкие производства эффективных строительных материалов, использующие природное минеральное сырье: кирпичные и керамзитовые заводы. Поэтому строительство полностью перешло на использование тяжелого бетона и привозных теплоизоляционных материалов и комплектующих, что сильно повлияло на повышение себестоимости строительства в целом. Возрождение традиционных технологий и производств на основе новых инновационных подходов, позволяющих производить высококачественные стеновые и теплоизоляционные материалы из доступного минерального сырья и техногенных отходов, могло бы стать бы основой для строительства в первую очередь энергоэффективного доступного жилья.

В настоящей статье обобщены результаты исследований, выполненных в последние годы коллективом кафедры строительных материалов СВФУ, по изучению возможности рационального использования минерального сырья Республики Саха (Якутия) - известняков, гипсового камня, глинистого сырья, кварцполевошпатового песка, цеолитсодержащих пород при совершенствовании традиционных технологий производства строительных материалов.

Известняки и суглинки

Для производства основной номенклатуры строительных материалов невозможно обойтись без минеральных вяжущих веществ - цемента, гипса и извести. Основными традиционными видами природного сырья для производства цемента являются известняк, гипсовый камень и глина.

АО ПО «Якутцемент» - флагман строительной индустрии республики является единственным производителем основного вяжущего вещества - портландцемента для изготовления бетонных изделий и конструкций. В производстве местного портландцемента используются известняки и суглинки Сасаабытского месторождения, расположенного на территории Хангаласского района недалеко от поселка Мохсоголлох.

Балансовые запасы суглинков, учтенные Государственным балансом РФ, составляют 10942 тыс. т, известняков - 71320 тыс. т. У действующего завода «Якутцемент» имеются все возможности для выпуска строительной извести. Ранее проведенными исследованиями было установлено, что испытанная известь удовлетворяет требованиям ГОСТ 9179 «Известь строительная» . Следует подчеркнуть, что производство строительной извести позволило бы организовать малоэнергоемкие производства силикатного кирпича и эффективных стеновых изделий из газо-, пеносиликата, а также сухих строительных смесей для кладки и оштукатуривания стен, бетонных растворов для заполнения скважин свайных фундаментов в условиях вечномерзлых грунтов.

Одним из существенных недостатков портландцемента является потеря его активности при длительном хранении. Потеря активности цемента происходит в процессе его длительной доставки в отдаленные районы посредством водного и автомобильного транспорта, а чаще всего из-за значительной продолжительности зимнего периода до начала строительного сезона (9 и более месяцев). В таких условиях высококачественный композиционный портландцемент целесообразно получать совместным помолом заранее доставленного клинкера, срок хранения которого практически не ограничен, с активными минеральными добавками до 40 % по массе вяжущего из местного сырья. Производство композиционного цемента на месте строительства позволит значительно снизить себестоимость строительства за счет значительного сокращения энергоемкости производства и транспортных расходов .

Исследования, проведенные специалистами СВФУ , показали соответствие прочностных характеристик образцов на основе композиционного портландцемента (клинкер + активная минеральная добавка + гипсовый камень) прочностным показателям контрольных образцов, изготовленных на портландцементе марки ЦЕМ I 42,5Б АО ПО «Якутцемент» (таблица).

Горелые породы

Исследована возможность использования горелых пород в создании сульфатостойких бетонов . Карьер горелых пород Кильдямского месторождения расположен в 30...32 км к северо-западу от города Якутска. Его запасы по категории А2 составляют 87,7 тысячи м3, по категории С1 - 2,3 тысячи м3 .

Химико-минералогический состав горелых пород Кильдямского месторождения содержит, % мас.: SiO2 - 81,00; Al2O3 - 9,61; K2O - 3,37; Fe2O3 - 3,26; Na2O - 1,27; CaO - 0,54.

Для приготовления сульфатостойкого цемента портландцементный клинкер, сульфат кальция (природный или промышленный гипс) и добавку алюмосиликатной горелой породы совместно измельчали до удельной поверхности 280-320 м2/кг . Полученные образцы цементного камня подвергали к длительному воздействию сульфатов. Полученные экспериментальные зависимости показали, что предел прочности при сжатии образцов в стандартном возрасте при содержании добавки в количестве 15 % имеет максимальную прочность 29 МПа, в возрасте 56 суток прочность возрастает до 35 МПа.

Прочностные характеристики образцов из композиционного портландцемента на основе клинкера и активных минеральных добавок, МПа

Таким образом, разработанная добавка улучшает свойства бетонов при экономии портландцемента в бетоне не менее 15 % мас., а также вовлекается неиспользуемое минеральное сырье - горелые породы.

Целесообразность производства специальных видов цементов на месте применения подчеркивает тот факт, что АК «АЛРОСА» в г. Мирный в собственном помольном цехе производит сульфатостойкий цемент для закладочных растворов на основе привозного портландцементного клинкера Якутцемента, цеолитсодержащей породы Сунтарского месторождения и местного минерального сырья. Научная основа получения сульфатостойкого портландцемента разработана в ведущих институтах республики - ЯкутНИИПроалмаз и ЯкутПНИИС .

Гипсовый камень

Минерально-сырьевая база для производства гипса представлена двумя месторождениями в Олекминском улусе с запасами по категориям А + В + С1 в размере 11 251 тыс. т. В промышленном освоении находится месторождение «Олёкминское» с балансовыми запасами гипса 9009 тыс. т. Ежегодная добыча составляет около 20 тыс. т. . Олекминский гипсовый завод в настоящее время не работает. Гипсовый камень добывается в малых объемах для применения в сельском хозяйстве и производстве портландцемента с доставкой водным транспортом до пос. Мохсоголлох. Поэтому предприятие «Якутцемент» имеет все возможности для освоения производства композиционного гипсового вяжущего (КГВ).

В отличие от обычных гипсовых материалов на основе КГВ появляется возможность изготовления эффективных стеновых изделий и панелей повышенной водо- и морозостойкости для малоэтажного строительства в условиях сурового климата Севера.

На кафедре строительных материалов СВФУ разработаны два вида КГВ: гипсоцементно-цеолитовое (ГЦЦВ) и гипсоизвестково-цеолитовое (ГИЦВ) вяжущее повышенной водостойкости (таблица), что может быть научной основой для расширения номенклатуры продукции АО ПО «Якутцемент» .

На основе разработанных составов КГВ возможно изготовление конструкционно-теплоизоляционного арболита плотностью 700-800 кг/м3 и прочностью на сжатие 2,5-3,5 МПа . В производстве легких бетонов на основе КГВ для сельского строительства могут быть привлечены дополнительные природные сырьевые ресурсы, как солома и мох, так и отходы переработки древесины - щепа, кора и опилки. Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности использования стеновых изделий на основе композиционных гипсовых вяжущих в малоэтажном строительстве.

Глинистое сырье

В советское время было подготовлено к промышленному освоению 27 месторождений кирпичного сырья, суммарные балансы которых по категориям А + В + С1 составляют 49648 тыс. м3, 19 месторождений керамзитового сырья с суммарными запасами по категориям А + В + С1 в количестве 30289 тыс. м3, одно (Кангаласское) месторождение тугоплавких глин с запасами по категориям А + В 81 тыс. м3 . Однако производства кирпича и керамзита давно закрылись, хотя потребность в таких эффективных материалах существует и растет с каждым днем в связи с постоянным повышением объемов жилищного строительства.

СВФУ принял на себя ответственность инициатора и координатора проекта создания кирпичного завода при поддержке Президента и Правительства РС(Я).

На сегодня университет выполняет научно-техническое сопровождение предпроектной подготовки документов, получены предварительные результаты по оптимизации составов, структуры и свойств керамического кирпича с повышенными строительно-эксплуатационными характеристиками на основе глинистого сырья Санниковского месторождения с применением тонкомолотого цеолита и пластифицирующих добавок . Результаты НИР должны обеспечивать показатели, отвечающие требованиям ГОСТ 530-2007 «Кирпич и камни керамические. Технические условия», вступившего в силу с 01.03.2008 в РФ и приближенного к европейским стандартам. В новых требованиях исключены марки кирпича по прочности М75 и морозостойкости F15, для лицевого кирпича нижним пределом является марка M150.

В сельской местности небольшие объемы глинистого сырья могут быть привлечены для производства грунтобетона и стеновых изделий на его основе для индивидуального малоэтажного строительства.

Кварцполевошпатовые (речные) пески

Насчитывается 24 месторождения речных песков строительного назначения с неограниченными запасами, из них 9 месторождений в распределенном фонде недр. Предварительно оценены ресурсы на более чем 40 месторождениях суммарной мощностью более 200 млн куб. м.

Кроме традиционного применения песков в качестве мелкого заполнителя бетонов, как показывают исследования специалистов СВФУ , их целесообразно использовать в производстве механоактивированных сухих смесей для изготовления широкой номенклатуры бетонных изделий и конструкций, в том числе ячеистых бетонов.

СВФУ имеет достаточный научный и практический опыт производства автоклавного пенобетона из кварцполевошпатового доступного речного песка. Инновационно-технологический центр запустил пилотное производство автоклавного пенобетона. На его основе построены два девятиэтажных жилых здания высокой энергоэффективности, ряд индивидуальных домов в Якутске, пос. Нижний Бестях, с. Олекминск и др.

На сегодняшний день СВФУ продвигает проект по автоклавному пенобетону с размещением производства в пос. Нижний Бестях, в последующем в гг. Ленск и Вилюйск. Проект направлен на создание в заречной группе районов опорной точки по производству эффективных стеновых строительных материалов для обеспечения строительства объектов социальной инфраструктуры и индивидуального жилья.

Общий объем инвестиций проекта составляет 112 млн рублей при годовом объеме выпуска изделий 20 тыс. м3 и окупаемости производства в 4,3 года.

В настоящее время СВФУ совместно ООО «Сунтарцеолит» и ООО «Модис» (г. Рыбинск) продвигается инновационный проект организации производства гранулированного пеностекла - пеноцеолита из цеолитсодержащих пород Сунтарского месторождения . Выбор цеолита обусловлен доступностью и огромным запасом природного сырья, низкой энергоемкостью его переработки из-за «мягкости» исходной горной породы. На сегодня разведаны и утверждены запасы в 11465 тысяч тонн .

Физико-механические характеристики пеноцеолита соответствуют требованиям ТУ 5914-001-15068529-2006 «Универсальный пористый материал термоизоляционный УПМ «Термоизол»: насыпная плотность составляет 150-350 кг/м3 в зависимости от фракции 0,5-10 мм, коэффициент теплопроводности - 0,06-0,10 Вт/(м.К). На основе пеноцеолита изготовлены и испытаны образцы легких бетонов со следующими характеристиками: при средней плотности 400 кг/м3 класс бетона составляет В1,5, 500 кг/м3 - В2,5 и 600 кг/м3 - В3,5 .

Общая сумма необходимого финансирования проекта составляет 65 800 тыс. рублей. Финансовые средства будут направлены на оплату капитальных вложений в сумме 59 650 тыс. рублей и формирование первоначальных оборотных средств в размере 6 150 тыс. рублей.

Заключение

Для рационального использования природного минерального сырья в производстве строительных материалов Якутии целесообразно развивать и использовать как традиционные, так и инновационные строительные технологии, в том числе следует отметить:

Возможность расширения номенклатуры продукции АО ПО «Якутцемент» освоением специальных видов цемента (сульфатостойкого, расширяющегося и др.), а также сопутствующего производства извести, гипса и композиционных гипсовых вяжущих;

Целесообразность продвижения инновационных проектов СВФУ (кирпичный завод на основе глинистого сырья Санниковского месторождения, производство автоклавного пенобетона с использованием кварцполевошпатового речного песка, выпуск гранулированного пеностекла - пеноцеолита на основе цеолитсодержащих пород Сунтарского месторождения) с учетом наличия и пригодности минерального сырья;

Технико-экономическую эффективность создания быстроразворачиваемых производств тяжелого и легкого бетонов, стеновых изделий на основе ячеистого бетона, арболита и грунтобетона с использованием предлагаемых композиционных вяжущих веществ и местных заполнителей для малоэтажного строительства в сельской местности.

Библиографическая ссылка