Мелкозернистые цементные и асфальтовые бетоны с использованием порошковых модифик а торов и наполнителей из отвальных кеков гидрометаллургич е ского производства
На правах рукописи
Разинкова Ольга Александровна
Мелкозернистые цементные и асфальтовые бетоны
с использованием порошковых модификаторов и
наполнителей из отвальных кеков
гидрометаллургического производства
05.23.05 – Строительные материалы и изделия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук.
Волгоград – 2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова»
| Научный руководитель: | Малкандуев Юсуф Ахматович доктор химических наук, профессор |
| Официальные оппоненты: | Корнеев Александр Дмитриевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», заведующий кафедрой «Строительные материалы» |
| Пушкарская Ольга Юрьевна кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры «Технология обработки и производства материалов» | |
| Ведущая организация: | ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» |
Защита диссертации состоится «25» октября 2012 года в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 при ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 (ауд. Б - 203)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета
Автореферат разослан «20» сентября 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Акчурин Талгать Кадимович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Использование многотоннажных промышленных отходов в производстве строительных материалов и изделий является одним из основных и оправдывающих себя как в экологическом, в технологическом и экономическом направлениях решения хозяйственных задач.
Если вопросы утилизации отходов ряда производств черной металлургии, химической промышленности, топливно-энергетического производства довольно хорошо разработаны и успешно реализуются, то ряд крупнотоннажных отходов цветной металлургии порой не находят использования и накапливаются в отвалах в больших объемах загромождая громадные территории земельных угодий и загрязняя окружающую среду. К таким невостребованным отходам промышленного производства относятся отвальные кеки вольфрамомолибденового гидрометаллургического производства в г. Нальчике.
В результате сложной химико-термической переработки концентратов и извлечения из них полезного продукта, остатки разрушенной породы, преимущественно карбонатсодержащие, после их очистки и нейтрализации от химических реагентов, в виде жидкого шлама сбрасываются в специальное хранилище, где в результате седиментации и частичного обезвоживания превращаются в глиноподобные отвальные кеки, которые занимают громадные территории и продолжают расти.
Утилизация данных отходов, освобождение дефицитных в регионе земельных участков и оздоровление курортной зоны на Северном Кавказе является актуальнейшей задачей. Существующие проекты их утилизации в цементное производство или производство минеральных расплавов слишком затратные, сложные и мало реализуемы в нынешних условиях. В связи с этим требуется менее затратное и быстрореализуемое решение данной проблемы. Таким является их обезвоживание и диспергирование в минеральные порошки-наполнители, которые могут применяться в различных строительных материалах, в частности в мелкозернистых цементных и асфальтовых бетонах.
Целью диссертационной работы является разработка научно обоснованной технологически и экономически целесообразной малозатратной технологии переработки и утилизации отвальных кеков Нальчикского гидрометаллургического завода (НГМЗ) ОАО «Гидрометаллург» в производстве минеральных порошков и использование их в составе мелкозернистых композиционных материалах.
При реализации данной цели решались следующие задачи:
- анализ отечественного и зарубежного опыта использования аналогичных техногенных сбросов в различных отраслях;
- исследование состояния, состава и свойств отвальных кеков НГМЗ;
- разработка научно-обоснованной рабочей гипотезы переработки и использования отвальных кеков в производстве минеральных порошков - наполнителей различных композиционных материалов;
- применение методов математического планирования эксперимента для определения оптимального количества модифицирующих добавок при активации порошков из отвальных кеков;
- исследование отвальных кеков в качестве минеральных добавок в мелкозернистых цементно-песчаных бетонах;
- исследование отвальных кеков в качестве минерального порошка - модификатора в асфальтобетонной смеси;
- производственное опробование опытной партии минеральных порошков из отвальных кеков для асфальтобетона;
- разработка малоэнергозатратной технологии переработки отвальных кеков в минеральные порошки;
- разработка технологических регламентов на минеральные порошки из отвальных кеков НГМЗ.
Научная новизна работы:
- в результате комплексных физико-химических и технологических исследований развито научное представление о некоторых техногенных отходах производства, в частности, отвальных кеков НГМЗ, как о высококачественном кондиционном и легкодоступном сырье - полуфабрикате для различных строительных материалов;
- теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены возможность и целесообразность использования тонкодисперсных минеральных отходов НГМЗ в качестве структурорегулирующей добавки - модификатора в композиционных материалов на различных связующих;
- научно обоснована и практически подтверждена эффективность использования тонкодисперсных минеральных частиц из карбонатсодержащих отвальных кеков в качестве структурорегулирующей минеральной добавки в мелкозернистые цементные и асфальтовые бетоны;
- разработаны эффективные составы активированных и модифицированных минеральных порошков из отвальных кеков НГМЗ;
- экспериментально доказана возможность получения качественных цементно-песчаных бетонов, используемых для изготовления тротуарных плит, дорожного бордюра и асфальтобетона с применением минеральной добавки из отвального кека.
- впервые разработаны малоэнергоресурсоёмкие способы переработки отвальных кеков в кондиционные минеральные порошки для асфальтобетона и др. композиционных материалов.
Практическая значимость работы.
- Расширение сырьевой базы стройиндустрии за счет использования легкодоступного техногенного сырья в место природного.
- Утилизация крупнотоннажного промышленного отхода и экологическое оздоровление производства.
- Разработаны новые минеральные добавки для мелкозернистых цементных и асфальтовых бетонов из легкодоступного бросового сырья НГМЗ, что позволит заменить дорогостоящие привозные добавки из природного сырья.
- Предложены варианты малоэнерго - ресурсозатратной безотходной технологии переработки отвальных кеков НГМЗ в товарную конкурентоспособную продукцию.
- Результаты исследований используются при обучении студентов по дисциплинам: «Строительные материалы» и «Технология отходов производства» на строительном факультете Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова.
- Разработан состав мелкозернистых цементных бетонов для производства бордюрного камня, что позволит снизить его стоимость от 8% до 20%.
- Разработан состав асфальтобетона, который внедрен при ремонте дорожного покрытия на 7 км автодороги «Нальчик - Майский». Площадь экспериментального участка составила 150 м2. Экономический эффект на 1 кв. м составил 10 руб. 87 коп.
Достоверность исследований в работе обеспечены:
- методически обоснованным комплексом исследований с использованием современных стандартных и типовых средств измерений, испытаний и обработки результатов;
- использование современных поверенных приборов и оборудования;
- использование современных математических методов обработки экспериментальных данных в пакете STATISTICA и MathCAD;
- опытными испытаниями и их результатами, совпадающими с результатами предварительных расчетов и не противоречащими выводам известных положений.
Личный вклад автора состоит в выборе темы, направлений и методов исследования, анализе литературных источников, проведении экспериментальных исследований и обработке результатов, анализе и обсуждении полученных результатов и формулировке выводов.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты исследования составов и свойств отвальных кеков НГМЗ и их оценки как сырья для получения минеральных порошков–модификаторов композиционных материалов в т.ч. тротуарных плит, дорожного бордюра и асфальтобетона;
- механизмы структурообразования мелкозернистых композиционных составов с использованием отвальных кеков в качестве минерального порошка-уплотнителя и модификатора;
- новые конкурентоспособные минеральные порошки-модификаторы в асфальтобетонных смесях из отвальных кеков НГМЗ;
- малозатратная, безотходная, экологически оздоравливающая технология переработки и утилизации отвальных кеков НГМЗ в минеральные порошки-модификаторы и наполнители в композиционные материалы.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены, обсуждены и представлены в материалах: Международных научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Перспектива» (г. Нальчик 2008, 2009, 2011гг.), на Всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной химии и материаловедения» (г. Махачкала, 2008), Всероссийской научно-практической конференции», на V и VI Международной конференции « Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (г. Волгоград, 2009, 2011 г.г.), на III Международной научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (г. Волгоград 2012).
Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 13 научных работ (вклад соискателя – 35,5 стр.), в том числе 2 работы в ведущем рецензированном научном журнале.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 33 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, научная новизна и практическая ценность результатов диссертационной работы. Сформированы цель и задачи исследования. Показана целесообразность и эффективность использования техногенного сырья - отвальных кеков НГМЗ в производстве тонкодисперсных минеральных порошков-модификаторов различных композиционных материалов в т.ч. тротуарных плит, дорожных бордюров и асфальтобетона, что способствует утилизации многотоннажных техногенных сбросов сравнительно мало затратными методами, расширению сырьевой базы стройиндустрии региона, сбережению природного сырья и экологии окружающей среды. Приведены сведения апробации и реализации результатов работы. Изложены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен обзор и анализ научно-технической литературы по состоянию и утилизации отходов различных промышленных производств. Информационной базой для этого послужили книги, научные труды и периодические издания, патенты и авторские свидетельства, отчеты по НИР, инструктивно-нормативные документы, рекламно-информационные издания, диссертации и др. источники.
Известно, что более исследованными, отработанными и утилизируемыми в производстве строительных материалов являются жидкие глиноземные шламы алюминиевого производства - нефелины, которые успешно используют в качестве компонента вяжущего в производстве автоклавных изделий. Жидкие же шламы и кеки образующиеся в гидрометаллургии вольфрама и молибдена практически не используются нигде и как показывают отечественный и зарубежный опыт работы горно-обогатительных комбинатов (ГОК) по производству вольфрамомолибденовых концентратов в Приморье, Бурятии (г. Закаменск), Монголии, Канаде и др., эти отходы считаются трудно утилизируемыми, малоисследованными и невостребованными.
Разработанные головными институтами России предположения по утилизации карбонатосодержащих кеков и шламов НГМЗ в качестве компонента в производстве цемента, или получение на их основе минеральных расплавов, являются слишком энерго и ресурсо затратными и сложными. Требуется более легкодоступный, менее затратный и малоэнергоёмкий способ их утилизации. Для чего необходимы знания фактического состояния, состава и свойств данных отходов, современные достижения в области их переработки и утилизации.
Вопросам переработки и комплексного использования отходов различных производств в технологии строительных материалов посвящены работы многих ученых: Баженова Ю.М., Иванова И. А., Попова Л. Н., Боженова П. И., Волженского В. В., Бурова Ю.С., Долгарева А.В. и др. Вопросы структуро – образования искусственных конгломератов и дисперсных систем исследовались Ребиндером П.А., Калашниковым В.И., Соломатовым В.И. и др.
В области искусственных органоминеральных конгламератов известны труды Шестоперова С.В., Рыбьева И.А., Лысихиной А.И., Козловского Б.А. и др.
Анализ литературных источников и результатов исследования состава свойств и состояния отвальных кеков НГМЗ позволили сформировать рабочую гипотезу о пригодности и целесообразности их использования, с незначительной переработкой, в качестве тонкодисперсной структурорегулирующей минеральной добавки в ряд искусственных конгломератов на различных (минеральных и органических) вяжущих, а так же в качестве наполнителя в композиционные материалы и составы.
Во второй главе представлены используемые материалы и их характеристики, изложены методы исследования.
В работе использовались:
- портландцемент ПЦ-ДО Новороссийского завода, отвечающий требованиям ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент. Техниченские условия»;
- битум БНД 60/90 по ГОСТ 22245-90 «Битум нефтяной дорожный, технические условия»;
- суперпластификатор-С-3 по ТУ-6-36-020429-625 Новомосковского комбината;
- лингосульфонаты технические - ЛСТ по ОСТ 13-183-83. Новомосковского химического комбината;
- порошки минеральные из карбонатных пород МП-1 (обычные) и МП-10 активизированные Минераловодского СУ-842, отвечающие требованиям ГОСТ Р 52129-2003 «Порошки минеральные для асфальтобетонных смесей. Технические условия»;
- песок кварцевый природный местный Альтудского месторождения среднезернистый с Мкр=2,25 мм, отвечающий требованиям ГОСТ 8736 «Песок для строительных работ. Общие требования». Песок щебень дробленные из гравия местного Нарткалинского карьера, отвечающие требованиям ГОСТ 9128-97 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия». Песок крупнозернистый с Мкр =3,1мм;
- щебень фракции 5-10 и 10-20 мм марок 800, Др-12;
- вода – по ГОСТ 23732 «Вода для бетонов и растворов. ТУ».
Все испытания сырьевых компонентов, материалов и изделий осуществляли в специализированных и производственных лабораториях по типовым стандартным методикам с использованием поверенных приборов и оборудований: в лабораториях «Строительных материалов», ЦКП «Химических и рентгенофазных анализов» КБГУ, производственных лабораториях ОАО «Гидрометаллург» (г. Нальчик) и ФГУ ДЭП- 166 (ст.Черек, КБР). При этом на отдельных этапах использовались современные физико-технические (оптические, рентгенофазные, пневматические) и др. методы анализа и испытаний, а также математические, компьютерные методы планирования обработки и оформления результатов.
В третьей главе приведены результаты исследования отвальных кеков НГМЗ: фазово-агрегатное состояние, химические и минералогический составы (табл.1), а также влияние кеков на пустотность и плотность цементно-песчаных смесей и подбор оптимального количества модифицирующих добавок при активации порошков.
Отвальные кеки ОАО «Гидрометаллург» представляют собой тонкодисперсное тесто (пасту), полученное при многократной, многоступенчатой переработке исходной породы (руды) различными методами (механическими, химическими, химико-термическими и др.) до разрушения природной структуры с целью более полного извлечения цветных металлов. Остатки разрушенной породы после соответствующей очистки и нейтрализации химическими реагентами сбрасываются в специальные отвалы в виде шлама.
Кеки лежалые старого отвала 20-30 летней давности представляют собой тестообразную тонкодисперсную глиноподобную массу с переменной влажностью от 18 до 22%.
Кеки – отходы текущего производства представляют собой слабокислую (рН=6-7) пульпу - шлам плотностью =1,76 – 1,98 г/см3 - продукт механического разрушения и выщелачивания исходной породы в смеси с химическими реагентами и водой до 50%. При вылеживании шлама в хвостохранилищах за счет седиментации, частичного испарения и поглощения жидкой фазы они превращаются в глиноподобное тестообразное состояние с плотностью 2,23- 2,37 г/см3 и влажностью до 24%, которые при дальнейшем испарении влаги и обезвоживании превращаются, в комовое и порошкообразное состояние с насыпной плотностью =1,25- 1,46 г/см3 в зависимости от влажности. Порошкообразные кеки с дисперсностью порядка до 95% класса 0,071 мм и удельной поверхностью S =4800 – 6000 см2 однородного состава.
По своему химико-минералогическому составу твердая фаза кеков представляет карбонатную породу, в которой содержится до 76-80% кальцита, до 5-10% флюорита, кварца, силикатов и других веществ.
Таблица 1. – Химический состав старых (а) и новых (б) кеков (% масс.)
| CaCO3 | SiO2 | CaO | MgO | CaF2 | Feоб | S | Cu | Pb | W2O5 | MО | пр. | |
| а | 76,35 | 3,84 | 0,15 | 6,56 | 6,95 | 1,23 | 0,5 | 0,09 | 0,02 | 0,56 | 0,22 | 3,49 |
| б | 79,72 | 2,29 | 3,21 | 4,56 | 4,4 | 2,02 | 0,4 | 0,11 | 0,01 | 0,67 | 0,31 | 2,21 |
Отвальные кеки в хранилище отличаются высокой однородностью и стабильностью состава, отсутствием химически активных и легкорастворимых соединений. Они не содержат опасных тяжелых металлов, радиоактивных излучении, химически инертны при обычных температурах и представляют собой, как бы упрочненные зерна - готовый полуфабрикат для многих материалов и в ряде случаев требуется лишь удаление избыточной влаги и диспергирования. Это позволяет отнести их из группы бросовых отходов в разряд качественных полуфабрикатов - сырья уже прошедших предварительную проработку.
В экспериментах по проверке влияния содержания минеральных порошков на пустотность и плотность цементно-песчаных смесей использовались: минеральный порошок из отвальных кеков (МПК), для сравнения – промышленная партия минерального порошка используемого местными предприятиями МПб - активированный и МПв – обычный Минводского СУ-842.
Таблица 2. – Основные характеристики минеральных порошков
| Наименование показателей | Значения для порошков | ||||
| МПК | МПб | МПв | |||
| Зерновой состав, % мас.: -менее 1,25мм -менее 0,315мм -менее 0,071мм Пористость,% Набухание с битумом, % Влажность,% масс. | 100 98,9 95,8 36,3 0,9 0,6 | 100 92,3 83,1 28,4 1,5 0,4 | 100 93,3 80,3 25,6 2,1 1,0 | ||
 Рис. 1. Влияние содержания минеральных порошков МПа, МПб, МПв на пустотность песка (П) крупнозернистого (Мкр-3,1) – А и среднезернистого (Мкр-2,25) – Б. | В качестве заполнителей в опытах были приняты местные, используемые для этих целей, пески: А - природный среднезернистый песок с Мкр= 2,25мм и пористостью П = 35%; Б - искусственный дробленный крупнозернистый песок с Мкр =3,1мм; и пористостью П = 42,3% (отсев получаемый при дроблении местных пойменных гравийно-песчаных смесей на щебень). Исследования влияния, принятых минеральных добавок на пустотность песка - П (Рис. 1) показывает, что в зависимости от зернового состава пустотность смеси может быть снижена на 11-14%, что приведет к возможности экономии вяжущего, улучшению структуры, повышению плотности и стойкости материалов на их основе. Оптимальное количество добавок МП колеблется от 15-20 до 30-40% и | ||||
требует оптимизации в зависимости от гранулометрии используемого заполнителя, характеристики вяжущего и требуемых показателей материалов на их основе.
В целях повышения эффективности использования порошкообразных отвальных кеков в асфальтобетонах проведены исследования по их активации.
Активацию и модификацию кековых минеральных порошков осуществляли в процессе их диспергирования в лабораторной шаровой мельнице с добавками анионоактивных поверхностно активных веществ - ЛСТ по ГОСТ 13-183-83 и битума БНД 60/90 по ГОСТ 22245- 90.
Для определения оптимального количества модифицирующих добавок при активации порошков использовался метод активного многофакторного эксперимента. Планирование эксперимента производилась в модуле «Производственная статистика», «Экспериментальный дизайн (DOE)» компьютерной программы STATISTICA. В качестве варьируемых факторов выбрано содержание в минеральном порошке модификаторов х1- ЛСТ; х2-БНД 60/90. В качестве контролируемых факторов – прочность R20 (у1), водостойкость (у2), прочность R50 (у3).
После статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, характеризующие зависимость прочности при разных температурах, водостойкости в зависимости с исследованными факторами.
В пакете Statistica с помощью линейного и нелинейного многомерного моделирования взаимосвязей были получены графики и формулы, описывающие зависимость между входными и выходными параметрами, которые представлены на рис. 2-7.
 |  |
| Рис. 2. Линейная функция отклика прочности при 20° С (у1=-0,7128 + 0,9383х1 + 1,2667х2) | Рис. 3. Линейная функция отклика водостойкости (у2=-0,5572 + 0,975х1 + 0,89х2) |
 |  |
| Рис. 4. Линейная функция отклика прочности при 50° С (у3=-0,4017 + 0,5017х1 + 0,6833х2) | Рис.5.Квадрадичная функция прочности при 20° С (у1=4,591- 0,638х1-3,277х2 - 0,182х1х2 + + 0,97х12 + 0,8933х22) |
 |  |
| Рис. 6.Квадрадичная функция водостойкости (у1=2,575-1,0283х1-1,277х2-0,018х1х2+ + 1,02х12 + 0,2867х22) | Рис. 7.Квадрадичная функция прочности при 50° С (у1=2,39-0,368х1-1,687х2- - 0,095х1х2 + 0,53х12 + 0,46х22) |
В системе Mathcad выполнен подбор оптимальных значений х1 и х2. Оптимальное количество модифицирующих добавок при активации порошков составила: ЛСТ-2,0% и БНД 60/90-2,5% по массе.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований опытных партий минеральных порошков в мелкозернистых бетонах на различных вяжущих.
Исследование влияния комплексной добавки – минерального порошка МПК и суперпластификатора С-3 на физико-механические характеристики цементно – песчаных бетонов показывают (табл.3, рис.8-10). Их присутствие значительно улучшает удобоукладываемость, улучшает структуру цементного камня и бетона, повышает физико-технические и эксплуатационные показатели.
Таблица.3 Влияние МПК совместно с СП на свойства
цементно – песчаных бетонов
| Содержание МПК, % от Ц | 0 | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 |
| Состав мелкозернистого бетона: - Песок – П, кг/м3 - Цемент – Ц, кг/м3 - Минеральный порошок – МПа, кг/м3 - С. Пластификатор – СП-С3, % - Вода – В, л/м3 Подвижность смеси по ГПК, см Водо - вяжущее отношение – В/В, | 1350 450 - 1/4,5 270 8,0 0,6 | 1350 427,5 22,5 1/4,5 256 8,1 0,57 | 1350 405 45 1/4,5 243 8,2 0,54 | 1350 360 90 1/4,5 230 8,0 0,51 | 1350 315 135 1/4,5 252 7,8 0,56 | 1350 270 180 1/4,5 279 8,1 0,62 |
| Расчетная плотность бетон. смеси, кг/м3 Фактическая плот. бетон. смеси, кг/м3 Пористость бетона общая, % Пористость капиллярная, % Прочность бетона, МПа Водопоглащение, % Коэффициент морозостойкости, Истираемость, г/см2 | 2075 1870 22,1 3,75 21,8 6,0 0,81 0,54 | 2060,5 1893 20,1 3,66 23 5,6 - 0,53 | 2047,5 1919 16,2 3,37 25,1 5,2 - 0,48 | 2034,5 1960 14,3 3,01 26,0 5,0 0,84 0,47 | 2056,5 1920 12,2 2,63 22,2 4,9 - 0,54 | 2083 1888 12,3 2,25 21,1 4,88 0,82 0,58 |
 Рис. 8. Зависимость водопоглащения (Вм), прочности (Rсж), морозостойкости (Кмрз), мелкозернистого бетона состава 1:3 (Ц:П) от содержания минеральных добавок. | Результаты испытания МПК в цементно-песчаных бетонах для тротуарного камня (рис. 8) показывают, что их введение в смесь до 20-30% от Ц не приводит к снижению прочности и морозостойкости образцов, и вначале наблюдается даже некоторое повышение прочности и плотности, что связано со снижением В/Ц смеси при замене части гидратационно-активного цемента плотным инертным наполнителем и снижением количества пор (в том числе и капиллярных), о чем свидетельствует снижение водопоглощения опытных образцов с повышенным количеством плотной минеральной добавки. |
Даже при замене до 40% цемента дисперсной инертной минеральной добавкой МПК плотность и морозостойкость их не снижаются, что немаловажно для бордюрного камня и облицовочных плит.
Однако повышение плотности мелкозернистого бетона с добавками МПК не всегда влияет положительно на свойство бетона, так с повышением содержания МПК свыше оптимального значения (20-25%) происходит раздвижка более твердых и прочных зерен с твердостью около 7 по шкале Мооса менее твердыми и прочными частицами МПК с твердостью 3, в результате происходит увеличение истираемости и некоторое снижение прочности, что требует более детального и дифференцированного подхода исследований данных добавок в цементно-песчанные бетоны.
Таким образом, минеральные тонкодисперсные порошки - добавки МПК на основе отвальных кеков в количествах 20-25% от Ц совместно с модификатором СП – С-3 благоприятно сказываются на структуру и свойства мелкозернистых бетонов на местных заполнителях. В связи с этим их можно рекомендовать для изделий менее подверженных истиранию, но требующих повышенную плотность и морозостойкость, с повышенным водопоглащением, так например, для бордюрных камней, облицовочных плит цоколей, малых архитектурных форм и т.д.
Испытания МП в асфальтобетонах (физико-механические характеристики стандартных образцов мелкозернистых асфальтобетонов (таб.4) также показывают, что минеральные порошки из кеков – МПК вполне могут заменить дорогостоящие привозные порошки МПб и МПв. По основным показателям МПК незначительно уступают лишь активированным порошкам МПб, но превосходят обычные не активированные – МПв.
Их характеристики в сухом состоянии удовлетворяют основным требованиям ГОСТ Р 52129 (табл.5.) и могут использоваться, как показали опыты, в дисперсном состоянии в качестве минерального порошка в асфальтобетонных смесях.
Таблица 4 - Показатели песчаных асфальтобетонов с различными
минеральными добавками
| Вид минерального порошка | Водонасыщение, % об. | Набухание, % об. | Прочность в МПа | ||
| R20 | R50 | Rвод | |||
| МПК | 2,02 | 0,21 | 5,3 | 2,9 | 4,8 |
| МПб | 2,01 | 0,18 | 6,1 | 2,8 | 5,3 |
| МПв | 2,81 | 0,33 | 4,5 | 1,9 | 3,9 |
Таблица 5 - Сравнительные характеристики минеральных порошков для асфальтобетона из природного и техногенного сырья
| № | Наименование показателей | Требования ГОСТ Р52129-2003 для марок | Производственные, из молотого доломита | Экспериментальные из отвальных кеков НГМЗ | ||||
| МП-1 | МП-2 | МП-1 не актив. | МП1а актив. | МПК не актив. | МПКа актив. | |||
| не актив. | актив. | |||||||
| 1. | Зерновой состав, % по массе: -мельче 1,25 мм -мельче 0,315 мм -мельче 0,071 мм | не<100 не<90 70-80 | не<100 не<90 не<80 | не<95 80-95 не<60 | 100 92,3 80,3 | 100 98,3 83,1 | 100 93,3 90,1 | 100 98,9 95,8 |
| 2. | Удельная поверхность по ПСХ, S, см/г | 2820 | 3350 | 4850 | 5960 | |||
| 3. | Пористость,Vпор, % | 35 | 30 | 40 | 27,9 | 25,1 | 36,3 | 26,8 |
| 4. | Набухание обр. из пор. с бит. Н,% | 2,5 | 1,8 | 3,0 | 2,1 | 1,6 | 0,6 | 0,2 |
| 5. | Водостойкость обр. из пор. с бит. Квод. | не норм. | не норм. | 0,7 | 0,8 | 0,87 | 0,89 | 0,92 |
| 6. | Показатель битумоемкости, ПБ, г | не норм. (65) | не норм. (50) | 80 | 31 | 22 | 69 | 32 |
| 7. | Влажность, W, % по массе | 1,0 | не норм. | 2,5 | 1,0 | 0,4 | 0,6 | 0,2 |
| 8. | Гидрофобность | гидро- филен | гидро- фобен | гидро- филен | гидро-фобен | |||
| 9. | A эфф. естественных радионуклидов, Бк/кг | менее 740 | менее 740 | менее 740 | менее 740 | |||
Были проведены испытания, для оценки качественных показателей полученных минеральных порошков на основе отвальных кеков (МПК- обычных и МПКа- активированных), в мелкозернистого асфальтобетона одного и того же состава, на местных заполнителях и битуме БНД 60/90. Для сравнения использовались минеральными порошками производства Минераловодского СУ-843: МП-1- обычными и МП-1а – активированными по ГОСТ Р 52129.
Сравнительные характеристики использованных минеральных порошков и полученных на их основе асфальтобетонов, приведены в табл. 5,6 и графиках (рис. 9-12)
Таблица 6 - Сравнительные показатели мелкозернистых асфальтобетонов с различными минеральными добавками
| Наименование показателей | Требования ГОСТ 9128 | Вид минерального порошка по табл.1 | |||
| МП-1 | МП-1а | МПК | МПКа | ||
| Ср. плотность, кг/м | 2,21 | 2,36 | 2,02 | 2,33 | |
| Прочность при сж., МПа: - при 50С - при 20С - при 20С водонасыщ. - при 0С | 1,3 2,5 9,5-11,0 | 1,68 3,62 3,11 9,12 | 2,02 4,21 3,78 9,68 | 1,88 3,41 3,01 8,98 | 2,51 4,65 4,23 9,85 |
Как показывают анализы полученных результатов, минеральные порошки из отвальных кеков НГМЗ (МПК и МПКа) по основным качественным и технологическим характеристикам не уступают, а в ряде случаев по отдельным показателям (дисперсности, набуханию, водостойкости и др.) превосходят производимые и широко используемые в регионе минеральные порошки из молотых горных пород. Поэтому по основным качественным показателям они могут быть отнесены к минеральным порошкам марки МП-1 по ГОСТ Р 52129, а не к МП-2 (из отходов производства), как предполагалось ранее, и могут использоваться в асфальтобетонных смесях и покрытиях всех типов согласно ГОСТ 9128.
 |
| Рис.9. Сравнительные показатели минеральных порошков. А. Дисперсности – S и показателя битумоемкости – ПБ. Б. Пористости – V и набухания с битумом – Н. обычных и активированных из доломитов (МП-1 и МП-1а) обычных и активированных из отвальных кеков (МПК и МПКа) |
 |
| Рис.10. Прочностные показатели асфальтобетонов с минеральными порошками |
 |
| Рис.11.Влияние МП на водонасыщение – W и водостойкость – Кв, Квд |
 |
| Рис.12. Влияние вида минерального порошка и расхода асфальтовяжущего на свойства асфальтобетона: Rсж(20) и Rрр(20); - МПКа; - МП-1а. Повышенный расход модификаторов в партии активированных порошков из кеков (2,0-2,5%) по сравнению с минеральными порошками молотых пород (1,25%) и более высокая их битумоемкость, видимо, связаны с их более высокой дисперсностью и более развитой (шероховатостью) поверхносью зерен кеков, что подтверждается микроскопическим анализом зерен порошков: поверхности молотых доломитов округлой формы, гладкие и без дефектов, а поверхности зерен кеков – шероховатые и порой ноздреватые, они корродированны и разъедены химическими реагентами в процессе гидрометаллургического производства (рис.13). |
а б
Рис.13. Фото поверхности зерен порошков: из доломитов – а; из МПК – б
Однако, модифицированные и активированные порошки из кеков (МПКа) оптимального состава и характеристик, имеют несколько лучшие показатели свойств в испытанных асфальтобетонах по сравнению с эталонными, промышленного производства активированными порошками из доломитов МП-1а (рис.12), что связано с лучшей структурой и адгезионными свойствами асфальтовяжущего на основе экспериментальных минеральных порошков МПКа.
В пятой главе на основе проведенных работ предложена сравнительно несложная и легкодоступная технология переработки отвальных кеков НГМЗ в минеральные порошки (рис.14), дана оценка транспортно-эксплуатационных характеристик опытного покрытия и сделаны экономические обоснования.
 |  |
| Рис.14. Технологические схемы производства МП: А – из горных пород; Б – из отвальных кеков. / - энергоемкость процесса: больше/ меньше. | |
По предварительным расчетом и анализам производство указанных порошков из отвальных кеков менее энергозатратно и будет иметь на 40-50% меньшую себестоимость по сравнению с привозными энергоемкими минеральными порошками, получаемыми из плотных горных пород, а также позволяет снизить стоимость 1 м3 бетона для производства бордюрного камня на 8 – 20% по сравнению с мелкозернистыми бетонами на портландцементе без добавления отвальных кеков.
В целях проверки полученных результатов использования минеральных порошков из отвальных кеков НГМЗ в асфальтобетованных смесях, были проведены испытания опытных образцов в лаборатории ГУ «Управления автомобильных дорог по КБР», апробация в асфальтобетонных смесях на производстве ДСУ №1 (г. Нальчик). По принятой технологии и с помощью имеющегося оборудования была получена опытная партия мелкозернистой асфальтобетонной смеси, объемом около 10 т с использованием вместо привозного порошка МП-1 из доломитов, активированного порошка МПКа из отвальных кеков. Полученный асфальтобетон был использован при ремонте дорожного покрытия на расстоянии 7 км автодороги «Нальчик-Майский» в апреле 2011г.
Согласно ГОСТ 2789 определены параметры шероховатость опытного участка покрытия, средняя глубина впадин которого равна 3,1 мм, активность поверхности относиться к среднешероховатому типу покрытия со следующими транспортно-эксплуатационными характеристиками: максимальная скорость движения - 110 км/ч, минимальный коэффициент сцепления с покрытием – 0,55, величина тормозного пути 77 м, уровень звука – 70 дБл.
Экономический эффект от внедрения минеральных порошков из отвальных кеков в асфальтобетон достигнут за счет снижения объема привозных минеральных порошков, стоимость которого превышает стоимость МПКа в 2,5 раза. При внедрении асфальтобетонной смеси экономический эффект на 1 кв. м составил 10 руб. 87 коп.
Выполнен эколого-экономический расчет от внедрения технологии утилизации кеков в новом производстве асфальтобетона, где посчитано, что чистая экономическая эффективность технологии переработки отвальных кеков при полной загруженности мобильного автозавода на четвертом году работы составит 28,32 млн. рублей, а уровень рентабельности более 52%, это говорит о том, что степень эффективности использования капитала превышает средний уровень.
Организация производства и широкое использование таких минеральных порошков из отвальных кеков в цементно-песчанных и асфальтовых бетонах в регионе будет иметь значительные технико-экономические и экологические преимущества. Оно будет способствовать расширению сырьевой базы для модификаторов бетонов и асфальтобетонов и снизит экологическую нагрузку на окружающую среду курортно-рекреационной зоны вследствие утилизации многотоннажных техногенных сбросов действующего предприятия.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
- На основе комплексных химико-минералогических, физико-химических, рентгенофазных и др. современных методов исследований установлены состав, свойства, фазово-агрегатное состояние одних из невостребованных крупнотоннажных отходов производства НГМЗ – отвальных кеков. По результатам исследований свойств отвальных кеков, им дана оценка не как бросового отхода производства, а как довольно качественного и однородного по составу и свойствам и прошедшего уже предварительную переработку кондиционного сырья - полуфабриката для различных материалов.
- Научно обоснована и экспериментально подтверждена пригодность и целесообразность использования тонкодисперсных минеральных частиц отвальных кеков в качестве минеральной добавки – наполнителя и модификатора искусственных конгломератов и композиционных материалов на разных связующих: минеральных и органических.
- Развиты теоретические и физико-химические основы структурообразования и регулирования свойств многокомпонентных конгломератов систем с введением в них оптимальных добавок тонкодисперсных минеральных и поверхностно-активных веществ – ПАВ.
- Выявлены закономерности влияния и границы варьирования содержания минеральной добавки из отвальных кеков на плотность, пористость и др. свойства мелкозернистых цементных композиций на местных заполнителях.
- Экспериментально доказана возможность и эффективность замены привозных минеральных порошков минеральными модифицированными порошками из отвальных кеков НГМЗ, в технологии производства горячих асфальтобетонов. Разработаны оптимальные составы активированных и модифицированных минеральных порошков из кеков НГМЗ для асфальтобетонов, отвечающих существующим требованиям.
- Доказана техническая и экономическая конкурентоспособность и преимущества полученных экспериментальных модифицированных минеральных порошков из отвальных кеков по сравнению с используемыми в регионе привозными порошками из осадочных горных пород для асфальтобетонов.
- Предложена малозатратная технология переработки отвальных кеков НГМЗ в минеральные порошки для модификации цементных и асфальтовых бетонов.
- Предложенные минеральные порошков из кеков, как наполнители в асфальтобетонных смесях подтвердили свою эффективность.
- Получение тонкодисперсных минеральных порошков из отвальных кеков, с помощью предложенной технологии, на 40-50% снизит затраты по сравнению с традиционными минеральными порошками получаемых при размоле природного сырья.
- Результаты проведенных исследований и экспериментальных работ являются основой организации промышленной переработки отвальных кеков НГМЗ и востребованы в продукции строительной индустрии, что позволяет снизить экологическую нагрузку на окружающую среду за счет полной и безотходной утилизации накопившихся техногенных отходов.
Основные положения диссертации опубликованы в тринадцати печатных работах.
Публикации в ведущем рецензируемом научном журнале:
- Разинкова О. А., Малкандуев Ю. А., Маришев М. Х. Пути использования отвальных кеков гидрометаллургии в производстве строительных материалов // Вестн. Волгогр. гос. архит. - строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архит. 2010. Вып. 19 (38). С. 64-69.
- Минеральные порошки - модификаторы асфальтобетонных смесей из отвальных кеков гидрометаллургии / О. А. Разинкова [и др.] // Вестн. Волгогр. гос. архит.- строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архит. 2012. Вып. 27 (46). С. 47-54.
Публикации в других издания:
- Некоторые пути утилизации техногенных сбросов гидрометаллургического производства в целях снижения экологической опасности и повышения эффективности производства / О. А. Разинкова [и др.] // Фундаментальные и прикладные проблемы современной химии и материаловедения : матер. Всерос. науч. конф. Махачкала. 2008. С. 121-123.
- Разинкова О.А., Малкандуев Ю.А., Маришев М.Х. Источники и характер загрязнения окружающей среды в гидрометаллургическом производстве // Вест. Кабардино - Балкарского гос. ун-та. Сер.: Тех. наук. 2008. Вып. 6. С. 107-109.
- О путях утилизации техногенных сбросов вольфрамо-молебдонового производства в строительстве / М. Х. Маришев [и др.] // Вест. Кабардино - Балкарского гос. ун-та. Сер.: Тех. наук. 2008. Вып. 6. С. 96-98.
- Самоуплотняющиеся твердеющие смеси для закладки горных выработок и макродефектов на базе местных отходов производства / Х. И. Тохаев [и др.] // Вест. Кабардино - Балкарского гос. ун-та. Сер.: Тех. наук. 2008. Вып. 6. С. 105-107.
- Разинкова О. А., Созаева Ж. И., Слонов А. Л. Исследование технологического процесса гидрометаллургического производства с целью утилизации отходов // Перспектива-2008 : междунар. науч. конф. молодых учёных, аспирантов и студентов. Нальчик : КБГУ, 2008. Т. 3. С. 218-220.
- Разинкова О. А., Малкандуев Ю. А., Маришев М. Х. Использование отвальных кеков вольфрамно - молибденового производства в качестве минеральных наполнителей мелкозернистых бетонов // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : матер. V Междунар. конф. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. Часть II. С. 36-40.
- Слонов А.Л., Созаева Ж.И., Разинкова О.А. Разработка технологии производства минеральных порошков-наполнителей композиционных материалов из отвальных кеков гидрометаллургии // Перспектива-2009: междунар. науч. конф. молодых учёных, аспирантов и студентов. Нальчик : КБГУ, 2009. Т. VII. С. 132-135.
- Разинкова О. А., Малкандуев Ю. А., Маришев М. Х. Некоторые показатели производства и свойства минеральных порошков для асфальтобетона из местного и техногенного сырья / О. А. Разинкова [и др.] // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов : матер. IV междунар. конф. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. С. 270-274.
- Малоэнергозатратные способы утилизации отвальных кеков гидрометаллургии в строительной промышленности / О. А. Разинкова [и др.] // «Строительство-2011» : междунар. науч.- практ. конф. Ростов н/Д : РГСУ, 2011. С. 156-158.
- Слонов А. Л., Разинкова О. А. Сравнительные показатели производства и свойств минеральных порошков для асфальтобетона из местного и техногенного сырья // Перспектива-2011 : междунар. науч. конф. молодых учёных, аспирантов и студентов. Нальчик : КБГУ, 2011. Т. III. С. 121-125.
- Разинкова О. А., Акчурин Т. К. Мелкозернистые цементные и асфальтовые бетоны с использованием порошковых модификаторов и наполнителей из отвальных кеков гидрометаллургического производства // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : матер. III Междунар. науч. – тех. конф. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2012. С. 158-172.
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 14.09.2012 г. Формат 6084 1/16.
Гарнитура «Times New Roman». Бумага офсетная. Печать трафаретная.
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 140.
Астраханский государственный университет
Центр оперативной полиграфии ЦИТ
414000, Астрахань, ул. Татищева, д.1
