Научные основы получения плотных, пористых заполнителей и бетонов различного функционального назначения из природного и техногенного сырья кольского полуострова
На правах рукописи
КРАШЕНИННИКОВ Олег Николаевич НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛОТНЫХ, ПОРИСТЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ И БЕТОНОВ РАЗЛИЧНОГО ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ИЗ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия А ВТ О Р ЕФ ЕР А Т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва - 2007 Диссертационная работа выполнена в отделе технологии строительных ма териалов Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева Кольского научного центра Российской академии наук (ИХТРЭМС КНЦ РАН)
Научный консультант: член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Гусев Борис Владимирович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Орентлихер Лидия Петровна доктор технических наук, профессор Ремнев Вячеслав Владимирович доктор технических наук, профессор Соловьянчик Александ р Романович
Ведущая организация: ФГУП «ВНИПИИстромсырье»
Защита состоится «_12» октября 2007 г. в 10 ч. на заседании диссертационного совета Д 303.018.01 при Научно-исследовательском институте транспортного строительства по адресу: 129329, Москва, ул. Кольская, д. ОАО ЦНИИС.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС.
Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенные печа тью, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.
Автореферат разослан «_» 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Петрова Ж.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Реализация национального проекта «Достойное и комфортное жилье гражданам России», федеральной целевой программы «Модернизация транс портной системы России (2002-2010 гг.)», программ по развитию отдельных регионов страны невозможна без решения проблем освоения местных сырьевых ресурсов, изы скания путей рационального их использования и получения строительной продукции надлежащего качества, в том числе заполнителей и бетонов различного функцио нального назначения. До последнего времени в стране прослеживалась тенденция ис тощения минерально-сырьевой базы нерудных строительных материалов, их запасы постоянно снижались. Вместе с тем продолжали накапливаться в больших количест вах горнопромышленные отходы, объемы утилизации которых значительно ниже, чем в развитых странах. Вопросы комплексного использования местных видов сырья требуют ускоренного решения. Особое место занимают проблемы развития северных районов Российской Федерации, где сосредоточено большинство важнейших для на родного хозяйства видов полезных ископаемых.
Мурманская область является индустриально развитым регионом в евро арктической части России, где создан мощный горнопромышленный комплекс (ГПК) и осуществляется разработка уникальных месторождений апатитонефелинового и вермикулитслюдяного, железорудного, медно-никелевого и редкометалльного сырья, разведан ряд месторождений строительного, облицовочного и цветного камня, обна ружены крупные залежи вспучивающихся сланцев. Производственная деятельность предприятий, добывающих и перерабатывающих природное сырье, неблагоприятно сказывается на экологической обстановке в регионе, объёмы горнопромышленных отходов к настоящему времени превысили 6.5 млрд т. Изменившаяся за последние лет экономическая ситуация в стране, переход на рыночные отношения обусловлива ют необходимость решения проблемы более полного использования местного при родного и техногенного сырья, а также производства на их основе строительных ма териалов непосредственно в богатых полезными ископаемыми регионах.
Правительством Мурманской области в 2005 г. утверждена «Стратегия разви тия строительного комплекса Мурманской области до 2015 года», направленная на решение актуальных проблем развития народного хозяйства Кольского региона на ближайшую перспективу, включая вовлечение в эксплуатацию новых нефтяных и га зовых месторождений на шельфе Баренцева моря, развитие атомной энергетики, гор нопромышленного, транспортно-коммуникационного комплексов, жилищного, до рожного строительства и др. Одна из важных ее задач - необходимость повышения комплексности добываемого сырья и получение строительной продукции требуемых объемов и качества, включая ее основные виды: заполнители и бетоны на их основе.
Потенциальные возможности более полного и рационального освоения минерально сырьевой базы Кольского ГПК должны способствовать развитию строительной от расли как на региональном, так и федеральном уровнях.
Цель работы и задачи исследований. Целью диссертационной работы являет ся разработка научных основ получения плотных, пористых заполнителей и бетонов различного функционального назначения: тяжелых, легких, теплоизоляционных, ог не- и жаростойких из природного и техногенного сырья Кольского полуострова (включая материковую часть Мурманской области).
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
- проанализировать современное состояние и возможности развития минерально сырьевой базы Кольского полуострова для получения плотных и пористых заполнителей;
- изучить вскрышные скальные породы хибинских месторождений апатитонефели новых руд как крупномасштабного нетрадиционного сырьевого источника для получе ния плотных заполнителей и бетонов на их основе;
- исследовать местные вспучивающиеся сланцы как потенциальное сырье для полу чения пористых заполнителей и легких бетонов;
- разработать эффективные виды вермикулитсодержащих теплоизоляционных, не горючих, огне- и жаростойких материалов;
- установить технико-экономическую эффективность применения рассматриваемых видов строительных материалов из местного сырья и разработать нормативную докумен тацию.
Научная новизна состоит в обосновании возможности использования новых не традиционных видов кольского природного и техногенного сырья, в решении научной проблемы получения плотных, пористых заполнителей, а также в разработке на их основе различных видов бетонов:
- выявлены характер взаимодействия главных породообразующих минералов вскрышных скальных пород хибинских месторождений апатитонефелиновых руд с це ментным камнем и влияние условий твердения тяжелого бетона на нефелинсодержащих заполнителях на синтез новообразований и формирование контактной зоны повышенной плотности;
- установлена коррозионная стойкость стальной арматуры в бетоне на заполните лях из вышеуказанных вскрышных пород и показано, что в системе «нефелинсодержа щий заполнитель цементный камень» обеспечиваются условия пассивации арматуры в неагрессивных газо-воздушных средах;
- показаны механизм вспучивания, влияние минерального состава и объема газо вой фазы на формирование пористого заполнителя из местных вспучивающихся серицит альбит-хлорит-кварцевых сланцев;
- разработана программа и предложена методика определения пористости вспу ченных сланцев, установлена зависимость количества и размера пор от температуры об жига исходного сырья;
- установлено, что контактная зона «пористый заполнитель цементный камень» характеризуется увеличением микротвердости и снижением СаОсв по сравнению с це ментной матрицей;
- впервые реализован принцип теплофизической анизотропии для решения проблемы повышения пожарной безопасности заделок проходов электрических кабе лей через строительные конструкции вермикулитсодержащими материалами;
- предложен способ получения вермикулита с пониженной температурой вспу чивания, обеспечивающий трехкратное увеличение объема исходного концентрата при 300С.
Практическая значимость результатов исследований:
- предложено решение важной научно-практической задачи, связанной с ис пользованием в строительстве крупномасштабного техногенного сырьевого источни ка вскрышных скальных пород хибинских месторождений апатитонефелиновых руд;
- показано, что щебень из вскрышных пород обладает высокими показателями, обеспечивающими возможность его использования в дорожном строительстве: уст ройстве оснований на автомобильных дорогах всех технических категорий и во всех дорожно-климатических зонах, покрытий без применения вяжущих, получении ас фальтобетонных смесей, бетонных монолитных и сборных покрытий;
- разработаны составы тяжелых бетонов на нефелинсодержащих заполнителях в пределах класса В30, свойства которых сопоставимы с показателями равнопрочных тяжелых бетонов на традиционном гранитном заполнителе;
- установлены технологические режимы, обеспечивающие получение из мест ных сланцев пористого заполнителя с необходимыми коэффициентом вспучивания и другими техническими показателями;
на его основе разработаны составы легкого бе тона требуемого качества классов В3.5-В12.5;
- получен жаростойкий конструкционно-теплоизоляционный бетон на основе ковдорского вермикулита с тонкодисперсными добавками из золоотходов кислого со става и других техногенных продуктов, обеспечивающий класс в пределах И9-И10 по допустимой температуре применения;
- одностадийным способом в скоростном смесителе получен негорючий плит ный утеплитель для кровельных покрытий из вермикулитопенобетонных смесей, вы пущена опытно-промышленная партия плит и заложен экспериментальный участок на кровле крупного промышленного объекта;
- разработаны для огнезащитной заделки проходов электрических кабелей че рез строительные конструкции секционированное устройство с использованием вер микулита, обеспечивающее самоуплотнение заделки при пожаре, ее неразрушае мость, экологическую безопасность, 1.5-часовой предел огнестойкости и предотвра щающее перегрев кабеля в месте заделки при эксплуатации, а также конструкционно теплоизоляционный вермикулитобетон для эксплуатационно надежных заделок с вы соким пределом огнестойкости;
- установлена экономическая эффективность использования исследуемых ви дов минерального сырья для получения строительных материалов.
На защиту выносятся:
- научно-техническое обоснование возможности использования в строительст ве нетрадиционного крупномасштабного сырьевого источника - вскрышных скальных пород хибинских месторождений апатитонефелиновых руд;
- установление эффективности применения местных вспучивающихся сланцев как потенциального сырья для получения искусственных пористых заполнителей и легкого бетона на их основе;
- результаты исследований по разработке эффективных видов теплоизоляцион ных, негорючих и жаростойких вермикулитсодержащих материалов и изделий;
- разработка устройств нового типа для огнезащитной заделки проходов элек трических кабелей с использованием вермикулитсодержащих смесей, обеспечиваю щих повышенную надежность заделки при её эксплуатации и пожаре;
- технико-экономическая эффективность выполненных научных разработок;
- результаты опытно-промышленных испытаний, внедрения и разработки нор мативной документации.
Вклад автора в разработку проблемы. Автором осуществлены: научное обос нование работы, выбор и разработка методов и программ исследований, их организа ция и непосредственное участие в проведении, анализ и обобщение результатов, раз работка нормативной документации, участие в опытно-промышленных испытаниях и внедрении научных разработок.
В диссертации представлены результаты исследований, выполнявшихся лично автором и под его научным руководством:
- начиная с 1975 года по настоящее время по планам научно-исследовательских работ ИХТРЭМС Кольского научного центра РАН, включавших тематику, связанную с изучением кольского природного и техногенного сырья и получением строительных материалов, в т.ч. заполнителей и бетонов на их основе;
- по проекту «Разработка эффективных материалов из природного и техноген ного сырья Кольского полуострова для обеспечения строительства объектов про мышленного и гражданского назначения в условиях Крайнего Севера» региональной целевой научно-технической программы Мурманской области на 2004-2005 годы;
- по проектам «Разработка теоретической модели теплопереноса в футеровках, создание на ее основе магнезиально-силикатных огнеупоров высокой термостойкости и жаростойких конструкционно-теплоизоляционных бетонов» (2003-2005 гг.) и «Раз работка нового композиционного материала: огнеупор-жаростойкий конструкционно теплоизоляционный вермикулитобетон для футеровки высоконагревательного обору дования» (с 2006 г.) в соответствии с программой Отделения химии и наук о материа лах РАН.
Реализация результатов исследований:
- выпущена промышленная партия дробленой вскрышной породы уртитового состава объемом 220 тыс. м 3, использованная в дорожном строительстве;
- в АОЗТ «Хидал» (г.Мурманск) внедрена технология получения стеновых камней из вибропрессованного легкого бетона с использованием шунгизитовых пы лей уноса - отхо дов Мурманского завода шунгизитового гравия;
- в ПКПО «Апатитстройиндустрия» Главмурманскстроя для выпуска одно слойных стеновых панелей внедрена технология поризованного легкого бетона с ис пользованием синтетического пенообразователя, что способствовало улучшению ка чества продукции;
- в ОАО «Апатит» реализована технология тепловой изоляции промышленных водогрейных котлов ПТВМ-3ОМ, КВГ-50 с помощью вермикулитсодержащих сме сей, обеспечивающих необходимые формовочные свойства и физико-механические показатели вермикулитобетона. Общая площадь изолированных поверхностей 5 ко т лов с использованием разработанных смесей составила 1200 м 2 ;
- установлена целесообразность использования золоотходов Апатитской ТЭЦ в качестве активной минеральной добавки в бетоны. Положительные результаты ис следований позволили обосновать проведение геолого-разведочных работ и утвер дить запасы золошлаковых смесей в объеме 168 тыс. м 3 на первоочередном для отра ботки участке золоотвала;
- выполненные научные разработки включены для практической реализации в «Стратегию развития строительного комплекса Мурманской области до 2015 года».
Разработаны технические условия на следующие строительные материалы:
- ТУ 113-12-1-12-88 (совм. с СоюздорНИИ) «Порода скальная дробленая руд ника «Восточный» ОАО «Апатит», предназначенная для устройства оснований авто мобильных дорог;
- ТУ 113-00-77-15-89 (совм. с СоюздорНИИ) «Смеси щебеночно-песчаные из породы скальной дробленой рудника «Центральный» ОАО «Апатит», предназначен ные для устройства щебеночных оснований автомобильных дорог, а также покрытий без применения вяжущих материалов на дорогах IV-V категорий;
- ТУ 2025-90 (совм. с СоюздорНИИ) «Смеси асфальтобетонные на основе не фелинсодержащих пород уртит и рисчоррит», которые распространяются на горячие и теплые асфальтобетонные смеси, полученные на основе заполнителей из нефелин содержащих пород, предназначенные для устройства верхних и нижних слоев покры тий на дорогах I-IV категорий;
- ТУ 66.023-90 (совм. с СоюздорНИИ) «Смеси бетонные и бетон на основе про дуктов дробления вскрышных нефелинсодержащих пород уртита и рисчоррита ОАО «Апатит» для дорожного строительства», предназначенные для монолитных и сбор ных покрытий и оснований автомобильных дорог всех категорий;
- ТУ 66.024-90 (совм. с НИИЖБ) «Бетон тяжелый на основе заполнителей из уртита и рисчоррита для промышленного и гражданского строительства», распро страняющиеся на бетоны для монолитных и сборных бетонных и железобетонных де талей, изделий и конструкций, эксплуатирующихся в неагрессивных газо-воздушных средах;
- ТУ 5765-001-04694169-94 (совм. с ФГУ ВНИИПО) «Подушки огнезащитные вермикулитсодержащие марки ПОВ-4», предназначенные для заделки проходов ка белей в различных конструкциях при толщине заделки 300 мм с пределом огнестой кости не менее 1.5 ч и устройства огнепреградительных поясов;
- ТУ 5722-002-04694169-95 «Концентрат вермикулитовый модифицирован ный», предназначенный для получения расширяющихся материалов на основе верми кулита с пониженной температурой вспучивания;
- ТУ 5712-003-04694169-95 «Сланцы хлоритовые месторождения «Вуручуай венч» и заполнитель пористый на их основе», применяемые для получения легких бе тонов, теплоизоляционных изделий и засыпок.
Апробация работы. Основные результаты исследований представлены на международных, 30 всероссийских (всесоюзных), 12 институтских научных конфе ренциях и совещаниях, включая: «Применение вермикулита в народном хозяйстве» (Ленинград, 1982), «Пены. Физико-химические свойства и применение» (Пенза, 1985), «Проблемы комплексного использования природных ресурсов Кольского по луострова» (Апатиты, 1989), «Бетоны на основе золы и шлака ТЭС и комплексное их использование в строительстве» (Новокузнецк, 1990), «Новые разработки в области обнаружения и тушения пожаров» (Нетешин, 1992), «Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций» (Белгород, 1995), «Ре сурсо- и энергосберегающие технологии в производстве строительных материалов» (Новосибирск, 1997), «Поверхностно-активные вещества в строительстве» (Санкт Петербург, 1998), Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Москва, 1998), «Химия и химическая технология в освоении природных ресурсов Кольского полуострова» (Апатиты, 1998), «Проблемы комплексной переработки минерального сырья и охраны окружающей среды» (Петрозаводск, 1999), «Современные проблемы строительного материаловедения. 6-е академические чтения РААСН» (Иваново, 2000), «Геологическая служба и минерально-сырьевая база России на пороге XXI ве ка» (Санкт-Петербург, 2000), «Природопользование в Евро-Арктическом регионе:
опыт XX века и перспективы» (Апатиты, 2001), «Природные ресурсы северных тер риторий: проблемы оценки, использования и воспроизводства» (Архангельск, 2002), «Фундаментальные проблемы комплексного использования природного и техноген ного сырья Баренцева региона в технологии строительных материалов» (Апатиты, 2003), «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии ос воения недр» (Москва, 2003), «Современные технологии в промышленности строи тельных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2003), научные чтения «Достиже ния строительного материаловедения», посвященные 100-летию со дня рождения П.И.Боженова (Санкт-Петербург, 2004), «Техника и технология производства тепло изоляционных материалов из минерального сырья» (Белокуриха, 2005), «Современ ные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2005), «Наука и развитие технобиосферы Заполярья: опыт и вызовы вре мени» (Апатиты, 2005), «Бетон и железобетон – пути развития» (Москва, 2005), «Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Барен цева региона в технологии строительных и технических материалов» (Петрозаводск, 2005).
Научные разработки, руководимые автором, экспонировались на ВДНХ (се ребряная медаль), на 5 международных выставках в области высоких технологий в 2001-2006 гг. (Москва, Санкт-Петербург), где отмечены 3 серебряными и золотой ме далями, а также медалью «За выдающиеся технологии и качество продукции» на Ме ждународном строительном форуме «Интерстройэкспо 2005» (Санкт-Петербург).
Публикации. Всего опубликовано 230 научных работ, в том числе по теме дис сертации 186, включая 4 монографии, препринт, 110 статей. Получено 8 авторских свидетельств, патентов. В 2004-2006 гг. опубликовано 11 статей в рекомендуемых ВАК РФ журналах: «Строительные материалы» (6), «Бетон и железобетон», «Огне упоры и техническая керамика» (2), «Новые огнеупоры», «Пожарная безопасность».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений.
Работа изложена на 317 страницах маши нописного текста, включающего 50 рисунков, 53 таблицы, список использованных источников из 325 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложена актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, указаны научная новизна и практическая значимость работы, выноси мые на защиту положения, вклад автора в разработку проблемы и апробация работы.
В главе 1 представлены анализ современного состояния и перспективы разви тия минерально-сырьевой базы Кольского полуострова для получения плотных, по ристых заполнителей и бетонов на их основе. По состоянию на 01.01.2005 г. балансом запасов по Мурманской области учтены следующие месторождения нерудных строи тельных материалов, в числе которых 26 – строительного камня, 18 – облицовочного камня, 57 – песчано-гравийных смесей и 24 – строительного песка, запасы которых по кат. А+В+С1 составляют 192.8, 10.5, 42.9 и 26.7 млн м 3 соответственно. Этими запа сами строительная отрасль региона обеспечена на среднесрочную перспективу для получения плотных, крупных, мелких и декоративных заполнителей, в том числе щебня для строительных работ в объеме 7.9 млн м 3, предусмотренном «Стратегией развития строительного комплекса Мурманской области до 2015 года». Однако у большинства эксплуатируемых месторождений ресурсы истощены, они могут быть отнесены к группе очень мелких, запасы которых не превышают 1 млн м3. Для реше ния проблемы организации массового производства щебня для строительных работ, связанной с выполнением вышеуказанных национальных проектов и программ, необ хо димо вовлечение в хозяйственных оборот крупномасштабного сырьевого источни ка, к которому, по нашему мнению, в первую очередь должны относиться вскрышные скальные породы рудных месторождений. Наиболее крупным среди них являются породы вскрыши разрабатываемых хибинских месторождений апатитонефелиновых руд. Научно-техническое обоснование возможности использования в строительной отрасли этих пород, относимых действующим стандартом к некондиционному сырью и требующих специальных исследований, дано в главе 3 диссертации.
Результаты геологических работ показывают, что Кольский регион располагает огромными прогнозными ресурсами вспучивающихся сланцев, которые составляют более 600 млн м 3 ;
при этом среди обнаруженных проявлений наиболее крупным явля ется Цыпнаволок на полуострове Рыбачий. В главе 4 диссертации изложены резуль таты исследований местных вспучивающихся сланцев и обоснована целесообразность их использования для получения искусственных пористых заполнителей и легкого бетона на их основе.
Одним из уникальных природных богатств Мурманской области является вер микулит, крупнейшее на Евразийском континенте Ковдорское месторождение кото рого эксплуатируется ОАО «Ковдорслюда». Из 5 учтенных балансом запасов по РФ месторождений вермикулита на долю Ковдорского приходится более 20 млн т, что составляет 80% общих запасов по стране. Вопросам рационального использования этого минерального сырья для получения эффективных видов теплоизоляционных, негорючих, огне- и жаростойких материалов посвящена глава 5 диссертации.
В главе 2 приведены методы исследований сырья, веществ и разрабатываемых строительных материалов с учетом требований действующих нормативных докумен тов: ГОСТов, ТУ, СНиПов и рекомендаций;
дано краткое описание нестандартных методов исследований. Среди основных использованных методов исследований: ми нералого-петрографический, химический, термографический, рентгенометрический, микрозондовый, растровый электронно-микроскопический, радиационно гигиенической оценки, физико-механические методы испытаний (прочности, микро твердости, морозостойкости, истираемости, дробимости, износа, адгезии, усадки, удельной поверхности, реакционной способности и др.), теплофизические, электро физические, оценки декоративности, огне- и жаростойкости. По результатам много факторных испытаний строительных материалов выполнена их статистическая обра ботка.
Глава 3 посвящена исследованию вскрышных скальных пород хибинских ме сторождений апатитонефелиновых руд как крупномасштабного сырьевого источника для использования в строительстве. Хибинский массив относится к крупнейшим в мире щелочным массивам, с которым связаны уникальные залежи апатитонефелино вых руд, не имеющие аналогов ни по масштабам запасов, ни по набору и концентра ции полезных компонентов. ОАО «Апатит» является основным производителем апа титового концентрата, обеспечивая более 80% его выработки в России. При ежегод ной добыче около 30 млн т апатитонефелиновой руды в отвалы направляется более 20 млн м3 вскрышных скальных пород, одним из главных породообразующих мине ралов которых является нефелин. Поскольку содержание этого минерала в породах, как правило, превышает 10%, регламентируемые ГОСТом 8267-93, то для установле ния возможности их использования в строительстве необходимо проведение специ альных исследований, что и является одной из основных задач диссертации.
В работе рассматриваются две основных разновидности нефелинсодержащих пород: уртиты и рисчорриты, характерные для вскрыши открытых рудников ОАО «Апатит» – Восточного и Центрального. Главными породообразующими минералами уртита и рисчоррита являются соответственно, мас.%: нефелин (КNa3 [AlSiO4 ]4 ) 71.6 и 43.5, полевой шпат (K[AlSi3 O8 ]) 8.4 и 30.1, пироксен (NaFe[Si2 O6 ]) 14.0 и 13.5, сфен (CaTiSiO5 ) 3.9 и 6.0;
присутствуют апатит 1.0 и 3.0, титаномагнетит 0.5 и 0.9, биотит 0.1 и 0.7;
акцессории: эвдиалит, энигматит, лампрофиллит, содалит, пектолит и др.
Породы относятся к плотным (2.7-2.8 г/см 3 ), прочным (Rсж =160-280 МПа), с низкими водопоглощением (менее 0.4%), истираемостью (не более 0.15 г/см 2 ) и моро зостойкостью F100. Среднее значение А эфф уртита составляет 164, а рисчоррита – 274 Бк/кг;
по радиационному фактору породы относятся к I классу без ограничения использования в строительстве. Щебень из уртита и рисчоррита соответствует требо ваниям ГОСТ 8267-93, обладая сравнительно высокими физико-механическими пока зателями: дробимость не менее 1200, износ ИI-ИII, морозостойкость F150.
Химическим способом и методом деформаций расширения установлено, что исследуемые породы относятся к категории потенциально нереакционноспособных заполнителей бетона. В результате испытаний 40 проб показано, что содержание рас творимого кремнезема в уртите и рисчоррите не превышает регламентируемые ммоль/л, в среднем составляя 12.5 и 14.6 ммоль/л соответственно. При э том только по двум пробам рисчоррита (5% от общего числа исследованных проб) установлено не которое превышение допустимой нормы: 55.6 и 64.3 ммоль/л, что, по-видимому, свя зано с содержащейся в этих пробах примесью натролита или анальцима. Для изуче ния реакционной способности уртита и рисчоррита с максимальным содержанием растворимого кремнезема (27.6 и 64.3 ммоль/л) определены деформации расширения образцов раствора на этих нефелинсодержащих заполнителях, а также контрольных образцов на гранитном песке по методике ЦНИИС, НИИЖБ. В результате годичных испытаний установлено, что относительное расширение исследуемых образцов неве лико (не превышает 0.03-0.04%) и сопоставимо с показателем для образцов на гра нитном заполнителе (0.03%).
На основе уртитового и рисчорритового щебня подобраны составы тяжелого бетона, результаты испытаний которых обеспечивают получение бетона классов В10 В30. Установлено, что прирост прочности в возрасте 360 сут. и коэффициент приз менной прочности бетона естественного твердения на основе щебня из нефелинсо держащих пород и кварцевого песка в возрасте 28 сут. не ниже, чем для тяжелого бе тона на стандартном гранитном щебне. Модуль упругости опытных образцов бетонов выше на 17-30% по сравнению с равнопрочным бетоном для данных классов, а их предельная сжимаемость на 8% ниже принятого для тяжелых бетонов значения.
Усадка бетонов на щебне из нефелинсодержащих пород и мера их ползучести в воз расте 280 сут. не выше, чем для стандартного тяжелого бетона такой же прочности.
Комплексные исследования деформативных свойств показали, что бетоны на основе щебня из нефелинсодержащих пород не уступают равнопрочным тяжелым бетонам на гранитном заполнителе.
Исследованиями макропористости бетонов установлено, что независимо от ви да заполнителя и условий тепловой обработки с увеличением сроков твердения про исходит уплотнение структуры бетонов: уменьшается количество «технологических» пор (диаметром 0.1 мм) в среднем от 1.5% в образцах однодневного возраста до 0.7% к 28-суточному сроку.
Рассмотрено взаимодействие с цементом главных породообразующих минера лов вскрышных пород, которое характеризовалось следующими условными степеня ми: механическим сцеплением и химическим взаимодействием (слабое, среднее, сильное – в зависимости от степени «размывания» границы контакта «минерал – вя жущее» вплоть до образования адгезионной каймы). Из рис. 1 следует, что всем по родообразующим минералам, особенно нефелину, присуще увеличение доли химиче ского взаимодействия с цементом при возрастании сроков нормального твердения и при использовании тепловлажностной обработки бетона.
Установлено, что в контактной зоне «нефелин – цементный камень» микро твердость увеличивается на 20-30% по сравнению с последним. Изменение микро твердости цементного камня на контакте с полевым шпатом, эгирином и сфеном имеет различный характер, но выражено слабее, чем с нефелином.
7ТВО 28ТВО 28НТ 1ТВО 1НТ 7НТ 100% Нефелин Эгирин Полевой шпат Сфен Механический контакт Рисунок 1 – Взаимодействие породообразующих минералов уртита с цемен том: НТ - нормальное твердение;
ТВО - тепловлажностная обработка;
1, 7, 28 срок твердения в сутках Исследования сколов образцов зерен нефелина и цемента с помощью растрово го электронного микроскопа свидетельствуют о хорошем контакте минералов с за твердевшим цементным камнем (рис. 2а). В порах затвердевшего камня наблюдаются пластинки гидроксида кальция и характерные новообразования гидросиликатов и гидроалюмосиликатов (рис. 2б). Рентгенометрические исследования подтверждают наличие этих фаз, а также гидроалюмосиликатов натрия: анальцима (Na[AlSi2O6]Н2О) и натролита (Na2[Al2Si3O10]2Н2О) – минералов-примесей, свойст венных измененному в хо де реакции нефелину (рис. 3).
Результаты микрозондового анализа показывают, что изменение концентрации основных химических элементов, включая K и Na, на контакте нефелинового запол нителя с цементным камнем происходит практически скачкообразно (рис. 4). Растро вая микрофотография приграничной области «нефелиновый заполнитель – цемент ный камень» свидетельствует об уплотненной контактной зоне (рис. 5). На повыше ние плотности контактной зоны, связанное с увеличением в ней микротвердости, су щественное влияние оказывает образование гидрогранатов, обладающих повышенной плотностью 3-3.5 г/см 3, как одной из фаз при взаимодействии нефелина с гидрокси дом кальция по следующей реакции:
2NaAlSiO4+3Ca(OH)2=Ca3Al2(SiО4)2(OН)4+2NaOH.
На рис. 6 представлены анодные поляризационные кривые стали в бетоне на нефелинсодержащих заполнителях, снятые в исходном состоянии, после 6 мес. попе ременного увлажнения - высушивания и после года хранения в атмосферных услови ях Москвы. Рисунок иллюстрирует пассивное состояние стали в бетоне на нефелин содержащих заполнителях всех составов при различных условиях испытаний, рН жидкой фазы таких бетонов (12.45-12.93) нахо дится в области значений, превышаю щих 11.8 и обеспечивающих пассивацию стали.
а б Рисунок 2 – Растровые электронные микрофотографии скола на контакте «цементный камень – зерна нефелина» (а) и дна поры бетона (б). Ув. Рисунок 3 – Рентгенограмма контактной зоны бетона на уртитовом за полнителе Рисунок 4 – Концентрационные Рисунок 5 – Контактная зона «нефе кривые щелочных элементов в контакт- лин – цементный камень» (в поглощенных электронах е+) ной зоне «нефелин – цементный камень – нефелин» Рисунок 6 – Анодные поляризационные кривые стали в бетоне на нефелинсо держащих заполнителях: а – в исходном состоянии;
б – после 6 месяцев увлажнения высушивания;
в – после года хранения в атмосферных условиях. Составы: 1 – на рис чорритовом щебне и кварцевом песке;
2 – на рисчорритовом щебне и рисчорритовом песке;
3 – на уртитовом щебне и кварцевом песке;
4 – на уртитовом щебне и урти товом песке Для оценки воздействия факторов внешней среды, которые могут влиять на из менение свойств бетона на нефелинсодержащих заполнителях при его эксплуатации, проведены исследования стойкости таких бетонов в различных средах, характерных для условий подземных выработок рудников ОАО «Апатит». К таким условиям отно сятся: воздушно-сухие и воздушно-влажные, длительное воздействие водных сред с уровнем рН в пределах 5-10, попеременное насыщение водой и высыхание. Результа ты годичных испытаний образцов бетонов, твердевших в различных условиях, пока зали, что в них отсутствуют деформации расширения, существенно не снизились рег ламентируемые показатели (масса, размеры, скорость прохождения ультразвука, прочности при сжатии и растяжении при изгибе) по сравнению с контрольными об разцами, твердевшими в водопроводной воде.
Исследованием микроструктуры бетона установлено, что образцы, хранившие ся в водных средах, имеют несколько большую степень гидратации, чем образцы, на хо дившиеся на возду хе. Структура бетона, хранившегося в жидкой среде с рН=10, о т личается наличием более мелких кристаллов эттрингита. В то же время в порах в большом количестве присутствуют крупные агрегаты пластинчатых кристаллов гид роксида кальция, кристаллизация ко торого ускоряется из-за повышенной концентра ции в растворе ионов гидроксила. В целом, полученные результаты годичных испы таний свидетельствуют о возможности использования нефелинсодержащих пород в качестве заполнителей бетонов, эксплуатирующихся в условиях подземных вырабо ток на рудниках ОАО «Апатит». Это подтверждается сохранностью конструкций, из готовленных из бетона на нефелинсодержащих заполнителях из вмещающих пород, после многолетнего (не менее 20 лет) срока эксплуатации в подземных выработках при условии соблюдения требований к качеству исходной бетонной смеси и техноло гии ее укладки.
Установлено, что получаемые в результате переработки вскрышных нефелин содержащих пород щебеночно-песчаные смеси или фракционированный щебень со ответствуют требованиям, предъявляемым к материалам для дорожного строительст ва. Показано, что щебень из уртитов и рисчорритов может быть использован в каче стве основного материала для строительства оснований дорожных одежд по способу заклинки, а щебеночно-песчаные смеси могут быть применены для устройства ще беночных оснований и для строительства щебеночных покрытий на дорогах IV-V технических категорий во всех дорожно-климатических зонах. На дробильно сортировочной установке ОАО «Апатит» проведена промышленная проверка техно логии переработки скальных вскрышных пород и установлена возможность получе ния фракционированного щебня и щебеночно-песчаных смесей, обладающих требуе мыми техническими характеристиками. Для дорожного строительства произведено около 220 тыс. м 3 дробленой породы из уртитов месторождения «Коашва» (Восточ ный рудник).
Исследования возможности использования нефелинсодержащих пород для по лучения асфальтобетонов показали, что они соответствуют требованиям ГОСТ 9128 97 на смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Установле но, что по показателям пластичности и условной жесткости они не уступают горячим асфальтобетонам с использованием традиционных каменных материалов для верхних слоев покрытий, обладают высокой износостойкостью и долговечностью.
Специальные исследования дорожных цементных бетонов, учитывающие воз можность их эксплуатации в неблагоприятных условиях в растворах хлористых со лей, моделирующих воздействие антигололедных реагентов, показали, что заполни тель из нефелинсодержащих пород позволяет получить при нормальном твердении бетон с маркой по морозостойкости F200, что соответствует проектным требованиям для бетона, эксплуатирующегося в районах со среднемесячной температурой наибо лее холодного месяца ниже -15оС.
Выполнена технико-экономическая оценка эффективности использования вскрышных пород хибинских апатитонефелиновых месторождений и определено, что применение щебня из этих пород по сравнению с получением щебня из карьеров при родного строительного камня позволит экономить не менее 150 руб. на 1 м3 заполни теля. Показано, что наращивание выпуска щебня целесообразно в первую очередь за счет развития имеющегося дробильно-сортировочного комплекса на Восточном руд нике ОАО «Апатит», направляющего в отвал более 6 млн м 3 вскрышных скальных пород ежегодно и где созданы предпосылки для производства до 10 млн м 3 щебня.
Разработаны технические условия, обусловливающие возможность применения вскрышных скальных пород хибинских апатитонефелиновых месторождений в строительстве, перечень которых приведен на стр. 7 автореферата.
В главе 4 приведены результаты исследований вспучивающихся сланцев - пер спективного сырья для получения пористых заполнителей и легких бетонов на их ос нове. Исследованиям подвергались сланцы, залежи которых были выявлены при про ведении геолого-разведочных работ на территории Кольского региона: месторожде ния Вуручуайвенч (район г. Мончегорска) и проявлений Земляное, Кийский рейд и Цыпнаволок на полуостровах Средний и Рыбачий.
Исходя из минерального состава, сланцы в целом характеризуются как сери цит-альбит-хлорит-кварцевые. В исследованных пробах содержание породообразую щих минералов, мас.%: кварц – 25-50, хлорит – 11-40, альбит – 14-30, серицит – 5-15;
содержание углеродистого материала не превышает 3% (преимущественно в пределах 1%). Структура сланцев алевропелитовая, пелитовая. Текстура преимущественно микрослоистая.
По химическому составу сланцы соответствуют основным требованиям, предъ являемым к глинистому сырью для получения пористых заполнителей: содержание SiO2 не превышает 60%, СаО менее 2%, MgO не более 4%, SO3 менее 1%, сумма ок сидов K и Na в нормируемых пределах 1.5-6%, а Al и Ti – 10-25%. Значения А эфф ис следованных проб сланцев месторождения Вуручуайвенч составляют 100-120 Бк/кг, а проявлений сланцев на полуостровах Средний и Рыбачий 165-260 Бк/кг, т.е. сланцы могут быть использованы для производства строительных материалов без ограниче ний по радиационному фактору.
Установлены оптимальные температуры термоподготовки и обжига проб слан цев, находящиеся в пределах 300-400С и 1140-1170С соответственно. Исхо дя из классификации глинистого сырья по величине коэффициента вспучивания, большин ство проб сланцев относится к группе средневспучивающихся пород, Квсп которых в зависимости от минерального состава находится в пределах 2.5-4.5. Установлено, что этим показателям соответствуют сланцы, содержание в которых хлорита, серицита и гидрослюд составляет 30-70%;
уменьшение их количества ниже 30% и увеличение содержания кварца более 40% приводит к снижению Квсп. Изученные сланцы имеют достаточно широкий интервал вспучивания – 68-116С, что создает благоприятные условия при получении пористого заполнителя в промышленных условиях.
Изучен процесс газовыделения при температурной обработке сланцев с отбором Объем газов, см3/кг породы газов при 30-минутной изотермической вы держке при различной температуре в интер вале 200-1200С. На рис. 7 представлен гра фик зависимости объема выделяющейся га зовой фазы от температуры обжига техноло гической пробы фракции 5-10 мм сланцев месторождения Вуручуайвенч (мас.%: кварц – 39, хлорит – 26, альбит – 16, серицит – 12);
температурный интервал вспучивания 90С.
200 400 600 800 1000 Температура, 0С Установлено, что общий объем выделивших Рисунок 7 – Влияние темпе- ся газов составил 9070 см 3/кг породы. При ратуры на процесс газовыделения этом в области наиболее интенсивного вспу сланцев чивания при температурах 1100 и 1200С объем газов составил 920 и 330 см соответственно, чего достаточно для вспучивания доведенной до пиропластического состояния массы.
В ОАО «Шунгизит» (г. Мурманск) проведены опытно-промышленные испыта ния по получению пористого заполнителя из валовой партии сланцев (70 м3) место рождения Вуручуайвенч, в результате которых получен заполнитель со средним Квсп=3.3 и насыпной плотностью 340, 480 и 590 кг/м 3 для фракций 20-40, 10-20 и 5- мм соответственно.
На основе вспученных сланцев фракций 5-10 и 10-20 мм разработан легкий бетон марок 35-100 с плотностью 950-1150 кг/м3 и поризованный легкий бетон марок 35- пониженной плотности 850-960 кг/м3. С учетом результатов проведенных испытаний разработаны ТУ 571-003-04604169-95, предназначенные для получения легких бетонов и теплоизоляционных материалов.
Изучены сланцы перспективных проявлений – Земляного, Кийского Рейда и Цыпнаволока, прогнозные ресурсы которых составляют 80, 150 и 384 млн м3 соответст венно. Сланцы этих проявлений обладают достаточно высокой степенью вспучиваемо сти, достигающей для отдельных проб 4.5 (в среднем по участку отбора технологической пробы сланцев на проявлении Цыпнаволок Квсп=4.1). На рис. 8 показано распределение пор в сланцах в зависимости от температуры обжига от 990 до 1160С, обеспечивающей наибольший Квсп.
Исследования аншлифов, выполненные на установке BидeoTecт, показали, что структура сланцев, обожженных при 990С, представлена в основном мелкими пора ми размером до 0.1 мм в количестве 54%, содержание пор 0.1-0.2 мм – 33%. Количе ство пор с максимальным размером 0.8 мм составляет менее 1%. Коэффициент вспу чивания сланцев при этой температуре в среднем 1.3.
990С 1110С 1160С Количество пор, % 0.1 0.3 0.5 0.8 0.2 0.6 1.0 1.4 0.5 1.5 2.5 3. Размеры пор, мм Рисунок 8 – Распределение пор в зависимости от температуры обжига сланцев Повышение температуры выше 1000С приводит к появлению некоторого ко личества расплава за счет образования легкоплавких эвтектик, в состав которых вхо дят оксид железа(II) и щелочные оксиды. Появляются замкнутые, вытянутые в одном направлении поры, окруженные со всех сторон стеклофазовой. Увеличение при тем пературе 1050-1100С преобладающего количества пор размером 0.2 мм (около 70%) приводит к повышению пористости зерен до 66% и Квсп до 2.5.
При повышении температуры до оптимальной - 1160С с увеличением содер жания жидкой фазы происходит дальнейшее размягчение сланцев. В расплаве проис хо дит растворение тонкодисперсных примесей слюд, кварца, полевого шпата, про дуктов диссоциации карбонатов. Под действием выделяющихся газообразных про дуктов развивается процесс вспучивания, приводящий к образованию поризованного продукта, содержащего около 80% стекломассы, в которой имеются кристаллические включения кварца, полевого шпата, шпинели. В результате интенсивного вспучива ния происходит быстрый рост пор, общая пористость достигает 76%. Количество пор размером 0.5-1 мм снижается до 34%, содержание пор диаметром 2-3 мм повышается до 20%. На рис. 9 приведен характер изменения Квсп и плотности зерен сланцев (про ба проявления Цыпнаволок) в результате обжига при различной температуре. Как видно из этих данных, при температуре 1160С Квсп достигает максимального значе ния 4.1, а средняя плотность зерен снижается до 0.59 г/см 3. Размер отдельных круп ных пор увеличивается до 4 мм (рис. 10).
4.5 1. Коэффициент вспучивания 4.0 1. Плотность зерен, г/ см 3.5 1. 3.0 1. 2 2.5 1. 2.0 0. 1.5 0. 1.0 0. 990 1020 1050 1080 1110 1140 Температура, 0С Рисунок 10 – Структура сланца Рисунок 9 – Зависимость Кв сп (1) и плотности зерен (2) сланцев от темпе- после обжига при температуре 1160С. Ув. ратуры обжига В табл. 1 приведены основные свойства пористого заполнителя из технологи ческой пробы сланцев проявления Цыпнаволок, свидетельствующие о достаточно вы соких физико-механических показателях заполнителя. Близкими характеристиками обладают пористые заполнители из сланцев Земляного и Кийского Рейда.
На основе вспученных сланцев получены легкие бетоны классов 3.5-12.5 и плотностью 880-1110 кг/м 3, обладающие необходимыми эксплуатационными показа телями. Микротвердость контактной зоны «вспученный сланец - цементный камень» в среднем на 20% выше, чем последнего за пределами этой зоны, что указывает на химическое взаимодействие минералов цемента с активными составляющими вспу ченных сланцев. Показано, что в этой контактной зоне содержание СаОсв меньше, чем в цементном камне;
в 400-суточном возрасте содержание СаОсв составляет 6.82 и 8.34% соответственно.
Разработан композиционный пенообразователь для легкобетонных смесей на основе скрубберной пасты – отхода производства синтетических моющих средств, модифицированный добавками поверхностно-активного вещества Сампо и нитрата натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%: 1-1.35, 1-1.25 и 1-2 соот ветственно. Пенообразователь повышает кратность пены на 10-30% и стойкость в це ментном тесте в среднем на 23%. Выполнена опытно-промышленная проверка техно логии получения стеновых панелей из золосодержащих легкобетонных смесей, пори Таблица 1 – Свойства пористого заполнителя из сланцев проявления Цыпнаволок Показатель Фракция, мм 5-10 10-20 20- Истинная плотность, г/см 3 2. Средняя плотность зерен, г/см3 0.76 0.69 0. Насыпная плотность, кг/м 3 (марка) 400 350 (М400) (М350) (М350) Пористость зерен, об.% 69.7 72.5 Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К) 0.120 0.111 0. Водопоглощение, мас.%:
через 1 ч 13.0 10.3 6. через 48 ч 14.7 11.9 9. Прочность при сдавливании в цилиндре, МПа (марка) 1.4 1.2 1. (П50) (П50) (П35) Морозостойкость (потери после 15 циклов), мас.% 1.0 1.2 1. Потери массы при кипячении, мас.% 1.1 1.9 2. Стойкость против силикатного распада, мас.% 1.2 0.6 1. Стойкость против железистого распада, мас.% 0.5 0.6 1. Содержание SO3, мас.% 0. Потери при прокаливании, мас.% 0. зованных пеной на основе синтетического композиционного пенообразователя, и по казана возможность для легкого бетона марок 75-50 сокращения расхода цемента на 11-15% и шунгизитового песка до 50%. Разработка по использованию синтетического пенообразователя на основе скрубберной пасты внедрена при производстве стеновых панелей в ПКПО «Апатитстройиндустрия».
Результаты проведенных исследований показывают, что имеются объективные условия для освоения местных сырьевых ресурсов, пригодных для получения порис тых заполнителей, в первую очередь крупных залежей вспучивающихся сланцев на полуостровах Средний и Рыбачий. Обнаруженные проявления обеспечены прогноз ными ресурсами, исчисляемыми более чем 600 млн м3, их добыча может быть осуще ствлена открытым способом, а перевозка до Мурманска - наиболее дешевым мор ским транспортом. Дальность транспортировки сланцев с наиболее крупного прояв ления Цыпнаволок (полуостров Рыбачий) до Мурманска водным путем составляет приблизительно 100 км, дальность перевозки шунгитовых сланцев из Карелии (Кон допожский шунгитовый завод) железнодорожным транспортом до Мурманска около 1000 км. Установлена технико-экономическая эффективность использования местных вспучивающихся сланцев для получения пористого заполнителя вместо привозного карельского шунгитсодержащего сырья. При годовой потребности в 120 тыс. т ис хо дного сырья ожидаемый экономический эффект от сокращения транспортных за трат составляет 10.9 млн руб.
Глава 5 посвящена разработке эффективных видов вермикулитсодержащих те плоизоляционных, негорючих, огне- и жаростойких материалов, краткая характери стика которых дана ниже.
Теплоизоляционный негорючий вермикулитопенобетон для кровельных покры тий. Отказ от использования для кровельных покрытий горючих теплоизоляционных материалов, например широко применяющихся пенополистирольных плит, способст вует повышению пожарной безопасности зданий и сооружений. Одним из прогрес сивных видов негорючего утеплителя кровельных покрытий могут быть материалы на основе вспученного вермикулита и цемента, предварительно подвергавшихся вы сокотемпературной обработке и обеспечивающих полную несгораемость утеплителя при пожаре. Немаловажным аспектом при разработке вермикулитсодержащего мате риала является получение утеплителя низкой плотности во избежание превышения расчетной нагрузки покрытия на несущие конструкции;
при этом должен быть обес печен такой эксплуатационный показатель, как минимальная прочность при сжатии 0.15-0.2 МПа.
Эффективным способом улучшения качества легкобетонных смесей, в том чис ле снижения плотности, является их поризация высокоустойчивыми пенами. В задачу исследований входила разработка на основе противопожарного пенообразователя, обеспечивающего получение высокократных, но малоустойчивых пен, пен с коэффи циентом стойкости в цементном тесте не менее 0.9 для поризации вермикулитобетон ных смесей.
Для проведения исследований был выбран широко используемый в пожароту шении пенообразователь ПО-6. С целью повышения устойчивости пен на основе ПО 6 вводились добавки водорастворимых полимеров, в частности, поливинилового спирта, поливинилацетатной дисперсии и карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ). Стаби лизирующее действие этих добавок заключается в образовании высоковязких адсорб ционных слоёв в средней части пенных пленок, замедляющих процесс стекания и разрушения.
Наиболее эффективным модификатором ПО-6 оказалась добавка КМЦ 2-3% й концентрации, существенно влияющая на основные физико-химические свойства пены: кратность, устойчивость и степень синерезиса. Кратность пены из растворов ПО-6 3-6%-й концентрации, диспергированных в течение 1 мин., достигает 81-86 (при СПО-6 = 3-4% через 15-30 мин. с начала получения пены). Введение КМЦ позволяет получить пену требуемой для легкобетонных смесей кратности.
Установлено, что если время разрушения 20% объема пены на основе ПО-6 со ставляет 5 мин., то бинарная смесь пенообразователя позволяет увеличить этот пока затель не менее чем в 3 раза. Если время разрушения 50% объема пены с ПО-6 (W 50) не превышает 45 мин. (интервал 15-45 мин.), то W 50 для композиционного пенообра зователя увеличивается более чем в 4 раза (180 мин.).
Пены на основе ПО-6, модифицированные добавкой КМЦ, характеризуются сравнительно медленным процессом синерезиса (рис. 11). Так, максимальная величина обезвоживания пен с использованием КМЦ через 5 мин. не превышает 20%, а через мин. – 50%, в то время как степень синерезиса для пен на основе немодифицированно го ПО-6 составляет не менее 80-95%. Показано, что для бинарного пенообразователя коэффициент стойкости 100 пены в цементном тесте за 1 А В 75 счет модификации ПО- Степень синерезиса, % существенно возрастает с 50 0.7-0.8 до 0.9-0.98. Опти 25 мальный состав компози ционного пенообразователя 0 0 15 30 45 60 75 90 0 15 30 45 60 75 повышенной стойкости для 100 поризации вермикулитобе Г Б тонных смесей может быть 75 75 представлен следующей 50 50 бинарной смесью: 3-5%-й 25 раствор ПО-6 с добавкой 2 3% КМЦ.
0 Учитывая высокую 0 15 30 45 60 75 90 0 15 30 45 60 75 Время с начала получения пены, мин. стойкость разработанного Рисунок 11 – Изменение степени синерезиса пе- пенообразователя, опробо ны во времени из раствора ПО-6 с добавкой КМЦ. ван одностадийный способ Концентрация раствора ПО-6, %: А – 3;
Б – 4;
В – 5;
получения вермикулито пенобетонной смеси с ис Г – 6. Содержание КМЦ, %: 1 – 0;
2 – 2;
3 – 2.5;
4 – пользованием высокоско ростного смесителя, отличающийся от традиционного способа получения легкобе тонных поризованых смесей по двухстадийной схеме, когда отдельно приготавлива ется пена (пеномешалка, пеногенератор) и подаётся в получаемую в смесителе вер микулитобетонную смесь. Этот способ является практически единственным при по лучении поризованных смесей в роторных мешалках, например широко используе мых РМ -750, где ротор нахо дится в цилиндрической части на значительной высоте от дна мешалки – выше ее конусной части. В рассматриваемом нами варианте в смеситель сначала заливается необхо димое для приго товления замеса количество воды, затем добавляется раствор пенообразователя и осуществляется за счет враще ния ротора взбивание пены, далее в смеситель подается цемент (при необходимости тонкомолотые минеральные добавки) и в последнюю очередь - вермикулит, что предохраняет его о т интенсивного разрушения. Следует о тметить, ч то при наличии высокостойкой пены не происходит оседания на дно мешалки цемента, как наиболее тяжелой составляющей смеси, и он равномерно распределяется в пеномассе.
На рис. 12 приведены зависимости плотностей вермикулитопенобетонной сме си (подвижность 12-14 см), вермикулитопенобетона и прочности при сжатии от рас хо да цемента. При расходе основных компонентов на 1м 3 бетона в пределах 140- кг возможно получение вермикулитопенобетона с заданными свойствами: плотно стью 330-390 кг/м 3 и пределом прочности при сжатии 0.2-0.4 МПа. Коэффициент теп лопроводности при этих плотностях составляет 0.1-0.115 Вт/(м·К). Огневые испыта ния подтвердили, что бетон относится к группе негорючих материалов.
0.5 450 Предел прочности при сжатии, МПа Плотность бетонной смеси, кг/м Плотность бетона, кг/м 0.4 0.3 800 0.2 0.1 300 120 140 160 180 Расход цемента, кг Рисунок 12 – Изменение плотности бетонной смеси (1), плотности бетона (2) и прочности его при сжатии (3) в зависимости от расхода цемента. Соотно шение цемент : вермикулит – 1:1 по массе. Концентрация ПО-6 – 3%, количество КМЦ – 2% На рис. 13 представлена конструкция кровельного покры тия с теплоизоляционным слоем из вермикулитопенобетона, опыт но-промышленная проверка уст ройства ко торого осуществлялась на одном из крупных энергети ческих объектов Мурманской об ласти. Объект относится к поме Рисунок 13 – Конструкция покрытия: 1 щениям с избыточным тепловыде – профилированный настил, 2 – пароизоляция лением и «сухим» влажностным из слоя армогидробутила, 3 – утеплитель из режимом (влажность вну треннего вермикулитопенобетона, 4 – стяжка из це ментно-песчаного раствора, 5 – гидроизоляци- возду ха в среднем 30%). Тепло техническим расчетом кровельно онный ковер из двух слоев армогидробутила го покрытия, выполненно го со вместно с отделом покрытий и кровель ЦНИИПромзданий с учетом требований СНиП II-3-79**, было установлено, ч то при пло тностях вермику литопенобетонного утеплителя 300, 350 и 400 кг/м 3 его то лщина до лжна составлять 7, 7.5 и 8 см.
Схема получения вермикулитопенобетонных плит приведена на рис. 14. Сред ний расход материалов для приготовления 1 м 3 смеси требуемого качества, исходя из результатов экспериментальных работ, составлял по массе 1:1:0.02:0.08:2.3 (цемент :
вермикулит : ПО-6 : 10%-й раствор КМЦ : вода). Отдозированные на замес вода, пе нообразователь и КМЦ (заранее готовился 10%-й раствор) подавались в скоростную мешалку РМ-750, где за счет вращения ротора в течение 4-5 мин. взбивалась пена. За тем в мешалку последовательно и равномерно вводились цемент и вермикулит в те чение 2-3 мин. каждый. Приготовленная смесь (подвижность по конусу ПГР 12-14 см) ПО-6 КМЦ ВОДА ЦЕМЕНТ ВЕРМИ КУЛИТ Приготовление пены (мешалка РМ-750) Получение пеноцементной массы (мешалка РМ-750) Получение вермикулитопенобетонной смеси (мешалка РМ-750) Формование плит (кассетная форма) Твердение (пропарочный стенд) Распалубка (тельфер) Сушка (на стеллажах агрегатом АО-6.3) ПЛИТЫ (склад готовой продукции) Рисунок 14 – Технолог ическая схема получения вермикулитопенобетонных плит через патрубок в днище мешалки подавалась в металлическую разъемную форму кассету размером ячейки 50х50х7.5 см (объем 18.75 л), рассчитанную на получение 16 плит из одного замеса. Предварительная выдержка плит составляла 3-4 ч, после чего изделия подвергались тепловлажностной обработке по режиму: 3-4 ч – подъем температуры до 85-90°С, 6-7 ч – изотермическая выдержка;
после отключения подачи пара – остывание плит в форме до температуры 30-35°С, распалубка. Затем плиты торцом устанавливались на стеллажи, где подвергались сушке до постоянной массы с помощью агрегата АО-6.3. Средняя плотность высушенных плит 340 кг/м 3, прочность при сжатии 0.3 МПа.
Опытная партия плит в количестве 80 шт. использована в качестве теплоизоля ционного слоя кровельного покрытия, конструкция которого приведена на рис. 13.
Перед укладкой плит на поверхность пароизоляции наносился тонкий выравниваю щий слой вермикулитсодержащего раствора (аналогичного состава, использованного для получения плит), с помощью которого осуществлялась заделка швов между пли тами. Поверх плит наносился слой выравнивающей стяжки из цементно-песчаного раствора М50 толщиной 5-10 мм. После затвердевания на поверхность раствора на клеивался кровельный ковер из армогидробутила. Пятнадцатилетний срок эксплуата ции опытного участка площадью 20 м 2 показал надежность разработанного варианта кровельного покрытия с теплоизоляционным слоем из вермикулитопенобетона.
Жаростойкий конструкционно-теплоизоляционный вермикулитобетон. Ос новной задачей исследований являлось получение жаростойкого вермикулитсодер жащего конструкционно-теплоизоляционного бетона с наименьшей плотностью, обеспечивающего регламентируемый ГОСТом 20910-90 предел прочности при сжа тии не менее 1.5 МПа и максимально возможную температуру применения. Для по лучения жаростойкого бетона использовался вермикулит ОАО «Ковдорслюда» фрак ции менее 4 мм средней насыпной плотностью 150 кг/м 3 и коэффициентом теплопро водности 0.063 Вт/(м·К). В качестве вяжущего применяли портландцемент М300 Пи калевского завода. Тонкомолотой добавкой, которую вводят в жаростойкие бетоны на портландцементе для связывания СаОсв при нагревании, являлась золошлаковая смесь (ЗШС) Апатитской ТЭЦ. По химическому составу ЗШС относятся к кислым золам (модуль основности менее 0.1), имеют среднюю насыпную плотность 1030 кг/м 3, удельную поверхность 258 м 2/кг, содержание частиц золы и шлака размером менее 0.315 мм более 85%.
Как следует из рис. 15, с увеличением доли ЗШС (от 10 до 30% по массе) в зо лоцементном вяжущем и повышением температуры обжига содержание СаОсв снижа ется. Наиболее активно СаОсв связывается в области высоких температур, достигая максимума при 1000С. Рентгенометрические исследования подтвердили, что при ис пользовании смешанного вяжущего содержание СаОсв уменьшается. Результаты ис пытаний золоцементного вяжущего с различным содержанием ЗШС на высокотемпе ратурном микроскопе МНО-2 показали, что форма образцов без оплавления углов со храняется до 1200С.
При плотности вермикулитозоло бетона 600 кг/м 3 (в сухом состоянии) Содержание СаОсв, % обеспечивается требуемый для класса В предел прочности при сжатии – 1. 4 МПа. Остаточная прочность после нагре ва соответствует требованиям стандарта для данного вида бетона на портландце 0 менте, т.е. более 30%, а показатель тер 20 200 400 600 800 1000 мостойкости – 60 воздушных теплосмен – значительно превышает регламенти Температура, С руемую марку Т225. Деформация под на Рисунок 15 – Зависимость со держания оксида кальция от темпера- грузкой после нагрева при 1000С соста вила 3.6%;
4%-й деформации соответст туры нагрева при различном содержа нии ЗШС в золоцементном вяжущем, вует температура 1010С. Таким образом, разработан жаростойкий конструкцион мас.%: 1 – 10;
2 – 20;
3 – но-теплоизоляционный вермикулитозо лобетон, обеспечивающий класс И10 по предельно допустимой температуре приме нения.
Вермикулит как минерал слоистого строения анизотропен и имеет высокую отражательную способность от поверхности зёрен, что сказывается на характере те плопередачи вермикулитсодержащего материала. Исследования теплопроводности вермикулитобетона различной плотности показали, что использование вермикулита по сравнению с другими высокопористыми материалами, не содержащими заполни телей слоистого строения, способствует снижению коэффициента теплопроводности бетона.
На рис. 16 приведены расчетная (сплошная) линия и экспериментальная (пунк тирная) линия, соответствующая вермикулитобетону (с хаотическим расположением вермикулитового заполнителя) с пло тностью в диапазоне 540-660 кг/м 3. Эксперимен тальные значения коэффициента 0. экспериментальная, Вт/(м.К) теплопроводности вермикулитобе тона оказались меньше расчетных, их разница составляет в среднем 0.150 0.007 Вт/(мК), т.е. снижается на 5.3%. Таким образом, в связи с до полнительным сопротивлением 0. теплопередаче вследствие слои стого строения вермикулита, уточ ненная формула для определения коэффициента теплопроводности 0. 0. 100 0. 125 0.150 0. вермикулитобетона может быть Вт/(м.К) расчетная, представлена в следующем виде:
Рисунок 16 – График соответствия экс = 0.95(0.032+0.12+0.112), периментальной и расчетной теплопроводно сти вермикулитобетона различной плотности, где – плотность вермикулитобе кг/м3 : 1 – 540;
2 -550;
3 – 608;
4 – 650;
5 - тона, г/см 3.
Достаточно высокая предельно допустимая температура применения жаро стойкого вермикулитозолобетона (класс И10) открывает широкие возможности ис пользования изделий из таких бетонов для высокотемпературной изоляции различ ных тепловых агрегатов: печей, миксеров, котельного оборудования, алюминиевых электролизеров и т.д. Расчеты, выполненные в Институте экономических проблем КНЦ РАН (научный сотрудник С.В.Бритвина), показали, что применение мелкораз мерных блоков из жаростойкого вермикулитозолобетона для футеровки ванн элек тролизеров экономически выгодно, особенно для алюминиевых заводов Северо Запада России, по сравнению с шамотным огнеупорным кирпичом (поставка из Боро вичей) и вариантом изоляции керамовермикулитовыми изделиями марок КВИ-500 и КВИ-600 по ТУ 21-129-88, выпускаемых научно-проектно-производственным пред приятием «Техносервисвермикулит» (поставка из Уфы) и рекомендуемых для изоля ции ванн электролизеров. Так, рассчитанный экономический эффект для Кандалакш ского алюминиевого завода от замены применяемого для футеровки катодного кожу ха электролизеров шамотного кирпича на вермикулитозолобетонные блоки составля ет около 110 млн руб. (в ценах 1996 г.).
Выполнен расчет толщины изоляционного слоя из жаростойкого вермикулито золобетона оптимального состава с плотностью 600 кг/м 3 класса И10. Для варианта, когда температура на наружной поверхности изоляционного слоя 45 и 60С, толщина слоя вермикулитозолобетона составляет 0.57 и 0.30 м соответственно.
Проведена экспериментальная проверка динамики изменения температуры вермикулитозолобетона при различной толщине изоляции (от 0.05 до 0.35 м) при температуре на горячей стороне изоляции 1000С (рис. 17). При толщине изоляции 0.35 м не позднее чем через 2.5 ч достигается полная стабилизация теплопереноса и температура на наружной стороне изоляции составляет 52С. Этот результат согласу ется с расчетными данными.
Если принять, ч то на наружной поверхности мак Температура, С симальная температура 52С, то расчетная толщина изоля 200 ционного слоя должна соста вить 0.40 м, что более чем на 100 12% превышает фактически 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 полученный результат. Этот Время, мин.
пример также подтверждает, Рисунок 17 – Изменение температуры на что слоистое строение вер наружной поверхности изоляции в зависимости от микулита обеспечивает более времени испытания и толщины вермикулитозолобе- высокие теплозащитные тона, м: 1 – 0.05;
2 – 0.15;
3 – 0.25;
4 – 0.35 свойства изоляции.
Разработаны вермикулитсодержащие смеси для теплоизоляции нагревательно го оборудования, обладающие необходимыми формовочными свойствами при нане сении на вертикальные поверхности, а также физико-механическими и теплотехниче скими характеристиками. Этими смесями изолировано около 1200 м 2 поверхности промышленных водогрейных котлов ПТВМ-30М и КВТ-50, эксплуатирующихся в системе ОАО «Апатит». Более чем 7-летний срок службы котлов свидетельствует о надежности такого вида мастичной вермикулитсодержащей изоляции, что позволяет отказаться от использования традиционно применяемых для этих целей асбестсодер жащих смесей типа асбозурита и улучшить технико-экономические показатели при ремонтно-восстановительных работах котельного оборудования.
Огнезащитные вермикулитсодержащие материалы для заделки кабельных проходок через строительные конструкции. Одна из распространенных причин по жаров - возгорание электрических кабелей, по которым пламя может быстро распро страниться из одного помещения в другие, что приводит ко многим человеческим жертвам и огромным материальным потерям.
В настоящей работе предлагается к рассмотрению устройство для получения противопожарных материалов и изделий требуемого качества для заделки проходок электрических кабелей (в виде специальных секционированных подушек, а также мо нолитной изоляции или формованными изделиями из огнезащитных смесей) на осно ве вермикулита Ковдорского месторождения. При разработке подушек ставилась цель получить материал многофункционального действия, наиболее соответствующий требованиям пожарной безопасности при устройстве заделок кабельных проходок, в том числе обеспечивающих: самоуплотнение при пожаре, достаточно высокий предел огнестойкости (не менее 1.5 ч), отвод тепла от кабеля в месте его заделки за счет ис пользования плотных заполнителей, исключения из числа компонентов органических связующих и дополнительной обработки поверхности огнезащитными составами.
Применение для заполнения подушек только теплоизоляционных и самоуплот няющихся материалов, по нашему мнению, является недостаточным. Наибольшую огнезащитную эффективность должны иметь такие заполнители, которые не только обладали бы теплоизоляционными свойствами и самоуплотнялись при пожаре в мес те заделки, но и имели высокую теплопроводность, обеспечивая отвод тепла от токо ведущих частей кабеля, т.е. обладали теплофизической анизотропией.
В качестве основных заполнителей подушек использовались вермикулитсо держащие продукты размерами до 10 мм: вермикулитовый концентрат и вермикулит вспученный насыпной плотностью 910 и 150 кг/м 3 соответственно, а также карбонат содержащий компонент в виде доломитового песка насыпной плотностью 1700 кг/м 3 отсев при переработке на щебень доломита Титанского месторождения (Мурманская область). Благодаря высокой плотности доломита обеспечивается постоянный отвод тепла от кабеля в месте его заделки;
кроме того, в случае возникновения пожара до ломит, разлагаясь, будет выделять не поддерживающий горения диоксид углерода.
Для наружного чехла использовали материалы, выдерживающие высокие температу ры без нарушения целостности, что позволяет обойтись без применения органических связующих, предотвращающих высыпание зернистых заполнителей в случае тради ционно использующейся для наружного чехла стеклоткани, разрушающейся в усло виях стандартного температурного режима пожара. В этих целях для наружного чехла применялась кремнеземная ткань типа КТ.
Для обеспечения теплофизической анизотропии осуществляли секционирова ние подушек по длине с заполнением секций материалами с различными плотностя ми. Некоторые примеры осуществления заделки с применением исследуемых запол нителей и состояние заделки после огневого воздействия представлены в табл. 2 и 3.
Для сравнения приведены результаты испытаний используемого для получения по душек базальтового супертонкого волокна (БСТВ) и многокомпонентной смеси для подушек производства Германии (КBS).
Как видно из табл. 3, высокая огнестойкость заделочного материала обеспечи вается смесью вермикулитового концентрата (ВК) и доломита: поврежденная часть кабеля (К 23-87 НГ-10х2) после 1.5-часового испытания на огнестойкость не превы сила 50% его первоначальной длины. Температура на «холодном» конце кабеля после огневого воздействия при использовании для заделки теплоизоляционных материалов БСТВ, KBS и вспученного вермикулита является по сравнению с другими составами наибольшей: 200, 178 и 160С соответственно (как и длина обгоревшей части кабеля 300-350 мм). Целесообразно использовать для крайних секций смесь ВК (20- мас.%) и доломита (80-15 мас.%). Содержание ВК менее 20% не обеспечивает тре буемого самоуплотнения заделки. Введение в смесь ВК в количестве более 85% неце лесообразно ввиду чрезмерно высокой степени вспучиваемости заполнителя.
В ФГУ ВНИИПО проведены стендовые испытания на огнестойкость нескольких опытных партий секционированных вермикулитсодержащих подушек размером 350х160х25 мм. В результате испытаний кабельных проходок установлено, что заделки с использованием этих подушек обеспечивают предел огнестойкости 1.5 ч (без допол нительного нанесения огнезащитных составов на поверхность материала со стороны огневого воздействия). Положительные результаты испытаний позволили выпустить ТУ 5765-001-04694169-94 «Подушки огнезащитные вермикулитсодержащие марки ПОВ-4», в соответствии с которыми подушки могут быть рекомендованы для заделки проходов кабелей в различных конструкциях и устройства огнепреградительных поя сов с пределом огнестойкости 1.5 ч.
Таблица 2 – Заполнители подушек и их состояние после огневого воздействия Крайние секции Центральная секция Состояние заполнителя Состав в крайней секции компо- содержа- компо- содержа- глубина коэффициент ненты ние, мас.% ненты ние, мас.% спека, мм вспучивания 1 БСТВ 100 БСТВ 100 2 0. 2 KBS 100 KBS 100 0 0. 3 ВВ 100 ВВ 100 0 1. 4 ВК 100 ВВ 100 0 4. 5 ВК 100 Д 100 0 4. 6 ВК 100 ВК 100 0 4. 7 ВК:Д 85:15 Д 100 0 3. 8 ВК:Д 55:45 Д 100 0 3. 9 ВК:Д 40:60 Д 100 0 2. 10 ВК:Д 25:75 Д 100 0 1. 11 ВК:Д 20 Д 100 0 1. Примечание. БСТВ – базальтовое супертонкое волокно, KBS – многокомпонентная смесь (произв. Германии), ВВ – вермикулит вспученный, ВК – вермикулитовый кон центрат, Д – доломитовый песок.
Таблица 3 – Состояние кабеля в месте заделки после огневого воздействия Температура Длина, мм Состав на «холодном» конце обгоревшая поврежденная неповрежден кабеля, оС часть часть ная часть 1 200 350 - 2 178 350 - 3 160 300 50 4 116 180 140 5 100 110 120 6 92 105 100 7 64 95 80 8 54 85 90 9 57 60 95 10 64 90 85 11 72 75 100 Получен патент РФ №2037022 на устройство, которое включает гибкую на ружную оболочку, выполненную из кремнеземной ткани, и заполнитель, распреде ленный во внутренние гибкие, водонепроницаемые, изолированные одна от другой в направлении одной из горизонтальных осей оболочки секции (рис. 18), причем на ружная (со стороны возможного пожара) секция I заполнена вспучивающимся под действием температуры и самоуплот няющимся в месте заделки при пожа ре материалом, а другая – внутренняя секция II – негорючим веществом, об ладающим высокой теплопроводно стью для постоянного отвода тепла от кабеля в месте заделки в период экс плуатации кабельной проходки.
Рисунок 18 – Схема заделки кабель- Поскольку, как было отмечено ной проходки вермикулитсодержащими выше, полученный на основе вспу подушками: I – наружная секция;
II – ченного вермикулита, портландце внутренняя секция;
1 – кабель;
2 – двухсек- мента и тугоплавкой минеральной до ционная подушка;
3 – трехсекционная по- бавки (например, золоотхо дов) конст душка;
4 – стена рукционно-теплоизоляционный бетон соответствует требованиям стандарта на бетоны жаростойкие и обеспечивает класс И10 по предельно допустимой температуре применения, то такой бетон, выдерживая стандартный температурный режим пожара, пригоден для заделки кабельных прохо док: в виде монолитной изоляции при устройстве временной опалубки или предвари тельно изготовленных вермикулитобетонных изделий с каналами для прокладки ка белей различного диаметра.
При разработке составов огнезащитного вермикулитобетона для заделки ка бельных про ходок, наряду с обеспечением требуемого предела огнестойкости, суще ственным является учет фактора обеспечения режима работы силового кабеля, пере грев которого в нормальных условиях эксплуатации не допускается. В соответствии с требованиями ГОСТ Р 5037.1-93 при длительном пропускании тока в установленном режиме температура токопроводящей жилы кабеля не должна превышать 65С.
Основное внимание при решении этой задачи было уделено влиянию плотно сти материала, применяемого для заделки, на режим работы силового кабеля. Иссле дованиям подвергались образцы-блочки теплоизоляционно-конструкционного верми кулитозолобетона плотностью в диапазоне 460-840 кг/м 3, составы которых приведены в табл. 4. Зависимость температуры на токопроводящей жиле кабеля от плотности вермикулитозолобетона приведена на рис. 19.
Таблица 4 – Составы и основные свойства огнезащитного вермикулитобетона Фактический расход материалов на 1 м3 бетона Темпера Свойства бетона тура на плотность в це- вермикулит микронаполни- прочность жиле в вода, сухом со мент, вспученный, тель при сжатии, заделке, л стоянии, кг кг/л (ЗШС), кг МПа кг/м3 С 215 176/1177 64 544 460 0.7 414 155/1033 124 486 670 2.5 477 142/947 143 458 725 3.2 544 163/1087 191 423 840 4.1 Из данных табл. 4 и рис. 19 следует, Температура на жиле, С что температура на токоведущей жиле ка беля существенно зависит от плотности бе тона, уменьшаясь по мере ее повышения.
Вермикулитозолобетон в качестве огнеза щитного заделочного материала для ка бельных про ходок может быть рекомендо ван с плотностью не ниже 725 кг/м 3, исходя 460 670 725 из максимально допустимой температуры Плотность бетона, кг/м на токоведущей жиле кабеля. Для оценки Рисунок 19 – Влияние плотности вермикулитозолобетона на темпера- предела огнестойкости из вермикулитозо лобетона вышеуказанного состава с плот туру жилы кабеля ностью 725 кг/м 3 (рис. 20) были изготовле ны образцы размером 300х170х90 мм, со Температура, С стоящие из дву х одинаковых частей, обра зующих при соединении внутренний про дольный канал диаметром 20 мм, куда по мещался отрезок кабеля типа К-09-1989-НГ длиной 400 мм и диаметром 16 мм. Кабель замоноличивался в канале с помощью вер 0 30 60 90 120 150 микулитсодержащего раствора аналогично Время, мин.
го состава, использовавшегося для получе Рисунок 20 – Изменение темпе- ния образцов. После 3-суточного твердения ратуры на «холодном» конце кабеля в раствора в условиях помещения образцы зависимости от продолжительности высушивались до постоянной массы и оце огневого воздействия на заделку нивался предел огнестойкости (в пределах 3 ч) на модельной установке, имитирующей стендовые огневые испытания в ФГУ ВНИИПО. Как видно из рис. 20, заделка из вермикулитозолобетона обладает высоким пределом огнестойкости: через 3 ч испытаний температура на «холодном» конце ка беля не превысила 80С.
Способ получения вермикулита с пониженной температурой вспучивания. Для производства ряда специальных материалов необходимо, чтобы для их самоуплотне ния при тепловом воздействии природный вермикулит многократно вспучивался при сравнительно невысокой температуре – ниже 400С (в отличие от традиционно при нятого в промышленности способа обжига при 700-800С). Для решения задачи полу чения пористого заполнителя при пониженной температуре вспучивания в интервале 300-400С предложен способ предварительной обработки вермикулитового концен трата раствором нитрата аммония, разлагающегося при температуре до 300С с выде лением газообразных продуктов. Испытаниям подвергался вермикулитовый концен трат ОАО « Ковдорслюда» рабочей фракции 0.14-1.25 мм, обработанный раствором NH4NО3 различной концентрации, при различной продолжительности насыщения.
Показано, что оптимальная кон центрация раствора NH4NО3 для насы щения ВК и получения пористого запол К всп нителя с максимальным коэффициентом вспучивания при температуре обжига 300-400С находится в пределах 35-50%;
при этом Квсп составляет 3-3.5 (рис. 21).
0 200 400 600 Установлено, что продолжительность на Температура обжига, С сыщения раствором NH4NО3 для получе Рисунок 21 – Зависимость Кв сп ния вермикулита с Квсп=3 достаточно ог модифицированного вермикулита от раничить 0.5 ч.
температуры обжига На рис. 22 представлены термо граммы вермикулита: в исходном виде и обработанного раствором NH4NO3 50%-й концентрации.
Как видно из термограмм, за счет модификации вермикулитового концен трата раствором NH4NO3 первый эндо эффект сдвигается в область более низ ких температур (130С), а второй захва тывает значительно большую область Рисунок 22 – Термограммы исход- 220-385С, что обусловливается процес ного вермикулита (1) и вермикулита, сами плавления соли, ее разложения и обработанного раствором NH4 NO3 (2) взаимодействия с вермикулитом.
ОСНОВ НЫЕ ВЫВОДЫ 1. Установлена возможность использования в строительстве нетрадиционного сырья – вскрышных скальных пород хибинских месторождений апатитонефелиновых руд. Изучены основные разновидности вскрышных пород: уртиты и рисчорриты, и показана целесообразность их применения для получения высококачественного щеб ня;
марки по прочности, износу и морозостойкости: Др 1200-1400, ИI-ИII, F150 соот ветственно.
2. Исследован процесс структурообразования бетона и взаимодействия главных породообразующих минералов вскрышных пород: нефелина, полевого шпата, эгири на и сфена – с цементом. Показано упрочнение контактной зоны «нефелинсодержа щий заполнитель – цементный камень» и повышение микротвердости в этой зоне по сравнению с цементной матрицей на 20-30%, ч то обусловлено образованием гидро гранатов как одной из новообразованных фаз при взаимодействии нефелина с про дуктами твердения цемента.
3. Разработаны составы тяжелого бетона на основе щебня из нефелинсодержа щих пород в пределах класса В30. Показано, что по деформационно-прочностным свойствам эти бетоны не уступают бетону на стандартном гранитном щебне. Уста новлено, что в системе «нефелинсодержащий заполнитель – цементный камень» при взаимодействии нефелина с продуктами гидратации цемента обеспечиваются усло вия, способствующие пассивации стальной арматуры. Результаты электрохимических испытаний бетонов свидетельствуют о коррозионной стойкости в них арматуры.
4. Установлена стойкость бетона на нефелинсодержащих заполнителях при эксплуатации в различных средах, характерных для подземных выработок рудников ОАО «Апатит»: воздушно-сухих, воздушно-влажных, попеременного водонасыщения – высыхания, в водных средах с рН от 5.5 до 10.
5. Показано, что уртит и рисчоррит могут быть использованы в виде фракцио нированного щебня и щебеночно-песчаных смесей для устройства оснований дорож ных одежд на дорогах всех технических категорий во всех дорожно-климатических зонах, а также для покрытий без применения вяжущих для дорог IV и V категорий.
6. Установлена возможность получения на основе нефелинсодержащих запол нителей горячих и теплых асфальтобетонных смесей, обеспечивающих высокую из носостойкость и долговечность покрытия. Щебень из уртита и рисчоррита может применяться для изго товления дорожного монолитного бетона классов по прочности на растяжение при изгибе ВВtВ 2.4-4.8 и сборных дорожных плит из бетона классов ВВtВ 3.6-4.0.
7. Исследованы вспучивающиеся серицит-альбит-хлорит-кварцевые сланцы месторождения Вуручуайвенч и проявлений на полуостровах Средний и Рыбачий, включая наиболее крупное по прогнозным ресурсам – Цыпнаволок. Показаны меха низм вспучивания сланцев, влияние их минерального состава и газовой фазы, уста новленный объем которой составляет около 10 дм 3 на 1 кг породы, на формирование пористого заполнителя с заданными свойствами.
8. Выявлены технологические параметры получения пористого заполнителя требуемого качества, обеспечивающие средний коэффициент вспучивания сланцев в пределах 3.5-4. Изучено влияние температуры их обжига на изменение структуры, пористости и распределение пор по размерам. Отработана технология получения по ристого заполнителя из местных сланцев в АООТ «Шунгизит» (г.Мурманск) с выпус ком опытно-промышленной партии. Показано, что пористый заполнитель на основе местных сланцев по своим свойствам не уступает традиционному шунгизиту из ка рельского сырья.