Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВУЛКАНИЧЕСКОГО ТУФА КАМЧАТКИ В КАЧЕСТВЕ КРЕМНЕЗЕМИСТОГО КОМПОНЕНТА КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ

Трунов П.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
Композиционные вяжущие в настоящее время являются одним из эффективных материалов, их использование позволяет существенно экономить материально-сырьевые ресурсы за счет использования техногенного сырья, а также получать изделия с уникальными свойствами. В связи с чем была рассмотрена возможность использования вулканического сырья Камчатки в качестве кремнеземсодержащего компонента композиционных вяжущих. Для достижения поставленной цели был проведен комплексный анализ исследуемого сырья. Полученные результаты: минеральный, химический состав, анализ формы и морфологии зерен туфа, характер адгезии к цементному камню, а также сравнение с другими техногенными песками, ранее исследуемыми дали возможность судить о целесообразности применения данного сырья в качестве компонента композиционных вяжущих и изделий на их основе.
вулканический туф
композиционные вяжущие
техногенное сырье
активность
1. Алфимова Н.И. Повышение эффективности стеновых камней за счет использования техногенного сырья // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 2. – С. 56–59.
2. Алфимова Н.И., Черкасов В.С. Перспективы использования отходов производства керамзита в строительном материаловедении // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2010. – № 3. – С. 21–24
3. Алфимова Н.И., Шаповалов Н.Н. Материалы автоклавного твердения с использованием техногенного алюмосиликатного сырья // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6 (ч. 3). – С. 525–529.
4. Влияние генезиса минерального наполнителя на свойства композиционных вяжущих / Н.И. Алфимова, И.В. Жерновский, Е.А. Яковлев, Т.Г. Юракова, Г.А. Лесовик // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2010. – № 1. – С. 91–94.
5. Высококачественные бетоны на техногенном сырье для ответственных изделий и конструкций / Л.А. Сулейманова, Р.В. Лесовик, Е.С. Глаголев, Д.М. Сопин // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2008. – № 4. – С. 34–37.
6. Использование композиционных вяжущих для повышения долговечности брусчатки / В.С. Лесовик, М.С. Агеева, Ю.В. Денисова, А.В. Иванов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 4. – С. 52–54.
7. Клюев С.В., Авилова Е.Н. Мелкозернистый фибробетон с использованием полипропиленового волокна для покрытия автомобильных дорог // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2013. – № 1. – С. 37–40.
8. Лесовик В.С., Агеева М.С., Иванов А.В. Гранулированные шлаки в производстве композиционных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 3. – С. 29–32.
9. Лесовик Р.В., Алфимова Н.И., Ковтун М.Н. Стеновые камни из мелкозернистого бетона на основе техногенного сырья // Известия вузов. Строительство. – 2007. – № 11. – С. 46–49.
10. Лесовик Р.В., Клюев С.В. Фибробетон на композиционных вяжущих и техногенных песках Курской магнитной аномалии для изгибаемых конструкций // Инженерно-строительный журнал. – 2012. – Т. 29. – № 3. – С. 41–47.
11. Лесовик Р.В., Ковтун М.Н., Алфимова Н.И. Комплексное использование отходов обогащения ЮАР // Промышленное и гражданское строительство. – 2007. – № 8. – С. 30–31.
12. О возможности использования техногенных песков в качестве сырья для производства строительных материалов* / Р.В. Лесовик, Н.И. Алфимова, М.Н. Ковтун, А.Н. Ластовецкий // Региональная архитектура и строительство. – 2008. – № 2. – С. 10–15.
13. Перспективы использования вулканического песка Эквадора для производства мелкозернистых бетонов / В.В. Строкова, Н.И. Алфимова, Ф.А. Наваретте Велос, М.С. Шейченко // Строительные материалы. – 2009. – № 2. – С. 32–33.
14. Прессованные материалы автоклавного твердения с использованием отходов производства керамзита / В.В. Строкова, Н.И. Алфимова, В.С. Черкасов, Н.Н. Шаповалов // Строительные материалы. – 2012. – № 3. – С. 14–15
15. Рациональные области использования сырья угольных разрезов / Е.И. Ходыкин, Е.В. Фомина, М.А. Николаенко, М.С. Лебедев // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2009. – № 3. – С. 125–128.
16. Сулейманов Л.А., Жерновский И.В., Шамшуров А.В. Специальное композиционное вяжущее для газобетонов неавтоклавного твердения // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2012. – № 1. – С. 39–45.
17. Сулейманова Л.А., Кара К.А. Оптимизация состава неавтоклавного газобетона на композиционном вяжущем // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2012. – № 2. – С. 28–30.
18. Фомина Е.В., Кожухова М.И., Кожухова Н.И. Оценка эффективности применения алюмосиликатной породы в составе композиционных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2013. – № 5. – С. 31–35.
19. Шейченко М.С., Лесовик В.С., Алфимова Н.И. Композиционные вяжущие с использованием высокомагнезиальных отходов Ковдорского месторождения // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 1. – С. 10–14.
20. Yacheistyie betonyi s ispolzovaniem poputnodobyivaemyih porod Arhangelskoy almazonosnoy provintsii / A.N. Volodchenko, V.S. Lesovik, S.I. Alfimov, R.V. Zhukov, V.K. Garanin // Izvestie vuzov. Stroitelstvo, 2007, no. 2. pp. 13–18.

Наибольшее количество вулканов на территории РФ находится на востоке, на Камчатском полуострове. Строго определить точное их количество затруднительно. В различных источниках упоминается от нескольких сотен до более тысячи вулканов. Для вулканов Камчатки характерно большое разнообразие форм и размеров, они формировались в различные геологические эпохи и в настоящее время проявляют активность в различной степени. Большинство из них относится к древним вулканам, не проявляющим активности в настоящее время, однако некоторые вулканы являются действующими.

Ежегодные объемы продуктов вулканической деятельности исчисляются сотнями миллионов тонн и, как результат, это приводит к нарушению экологической обстановки в регионах их распространения. Данное сырье в большинстве случаев складируется на поверхности, образуя техногенные месторождения, которые в свою очередь пылят, занимают значительные площади и т.д. [13, 4]. Исходя из вышеизложенного представляется целесообразным использование продуктов вулканической деятельности при производстве строительных материалов.

В настоящее время на базе Белгородского государственного технологического университета имеется целый ряд работ, направленных на утилизацию техногенного сырья в качестве компонентов композиционных вяжущих [8, 19] и бетонной смеси для производства широкой номенклатуры изделий из ячеистого [16, 17, 20 и др.], силикатного [3, 14 и др.], мелкозернистого [1, 9, 12], высококачественного бетонов [5], фибробетона [6, 7, 10] и т.д. [2, 11, 15, 18, и др.]. Это позволяет решать не только экологическую проблему, связанную с накоплением вторичных ресурсов, но также снизить себестоимость конечных изделий без снижения их свойств.

В связи с чем целью данной работы явилось исследование возможности использования вулканического туфа Камчатки в качестве компонента композиционного вяжущего.

Методология. Коэффициент качества кремнеземистых компонентов (Кк) как компонента композиционных вяжущих определялся по методике, разработанной на кафедре строительного материаловедения изделий и конструкций БГТУ им. В.Г. Шухова [11]. Данная методика позволяет оценить пригодность породы как компонента композиционных вяжущих веществ и проранжировать их по эффективности путем определения их качества.

Сущность методики заключается в определении активности ТМЦ, приготовленных на различных песках, и сопоставлении ее с активностью контрольного ТМЦ, приготовленного с использованием песка Вольского месторождения. Для испытаний приготавливались ТМЦ-50 с удельной поверхностью ≈ 500 м2/кг.

Коэффициент качества как компонента рассчитывается по следующей формуле:

trynov01.wmf

где trynov02.wmf – активность ТМЦ на изучаемом песке, МПа; trynov03.wmf – активность ТМЦ на песке Вольского месторождения, МПа.

Основная часть. Исследуемый вулканический туф визуально представляет собой техногенный песок светло-серого цвета с насыпной плотностью 1150 кг/м3 и модулем крупности 3,62, при этом наиболее представительной является фракция 2,5.

Анализ минерального состава исследуемого сырья, полученный путем обработки РФА методом полнопрофильного количественного анализа, показал, что он представлен в основном альбитом и каолинитом (рис. 1).

pic_18.tif

Рис. 1. Минеральный состав вулканического туфа

Согласно данным химического анализа основным соединением вулканического туфа является оксид кремния и оксид алюминия (табл. 1).

Таблица 1

Химический состав вулканического туфа

Содержание, % по массе

SiO2

Al2O3

Na2O

Fe2O3

R2O

п.п.п.

66,03

25,95

2,51

0,97

1,24

3,3

Специфика формы и морфологии поверхности исследуемого сырья связана с особенностями процесса его формирования. Для вулканического туфа характерно полидисперсное распределение частиц с варьированием размеров примерно от 1 до 350 мкм по данным сканирующей электронной микроскопии (рис. 2).

Зерна имеют различную форму и достаточно развитую шероховатую поверхность, что обеспечивает достаточно высокую удельную поверхность. Стоит отметить, что имеет место некоторая агрегация вещества – мелкодисперсные частицы покрывают значительно более крупные зерна. Учитывая, что прочность контактной зоны между ними невелика, размолоспособность такого сырья и дисперсность молотого материала будут достаточно высокими.

При бόльшем увеличении отчетливо проявляется неоднородность поверхности частиц туфа (рис. 2). В общей массе имеются как зерна с достаточно гладкой поверхностью, практически не подверженной коррозии. Однако на самих частицах имеются сколы такого же характера и следы «ноздреватости». Эти «полости» в большинстве своем заполнены обломочным материалом – продуктами разрушения более крупных зерен, частицами вулканического пепла, и другими высокодисперсными минералами. Другим характерным видом поверхности являются покрытые этими же мелкодисперсными продуктами крупные частицы с явными следами агрегации. Агрегативные процессы являются следствием высокой дисперсности и значительной активности поверхностных граней этих образований.

pic_19.tif pic_20.tif

Рис. 2. Структура поверхности частиц вулканического туфа

Отмеченное обстоятельство будет способствовать тому, что этот высокореакционный материал может выступать в качестве активного компонента композиционных вяжущих, в частности, в силу своего преимущественно алюмосиликатного состава эти частицы могут взаимодействовать с гидроксидом кальция, формируя при этом дополнительное число цементирующего вещества. Более крупные частицы в вяжущем могут выполнять роль каркасной части наполнителя и выступать в качестве подложки для роста новообразований.

Оценка коэффициента качества вулканического туфа как компонента композиционного вяжущего, а также сравнения с другими песками техногенного месторождения показала, что данное сырье обладает Кк равным 0,96 (табл. 2). Снижение коэффициента качества относительно природного песка и вулканического сырья других месторождений обусловлено в первую очередь минеральным составом исследуемого сырья и, в частности, наличием в его составе 35 % каолинита (рис. 1).

Таблица 2

Показатели коэффициента качества пород различного генезиса как компонента композиционного вяжущего*

№ п/п

Наименование компонента ТМЦ

Коэффициент качества

1

Отсев дробления кварцитопесчаника, фракции 0,315-5

1,29

2

Вулканический пепел аморфизированный (Республика Эквадор)

1,29

3

Вулканический песок (Республика Эквадор)

1,25

4

Вулканический пепел кристаллический (Республика Эквадор)

1,05

5

Вулканический туф (Остров Сицилия)

1,05

6

Песок Стодеревского карьера

1,02

7

Отходы мокрой магнитной сепарации Лебединского месторождения

1,02

8

Песок Вольского месторождения

1

9

Вулканический туф

0,96

10

Отсев дробления кварцитопесчаника

0,96

11

Песок Нижне-Ольшанского месторождения

0,95

12

Отходы ММС Ковдорского месторождения

0,92

13

Отсев Солдато-Александровского карьера

0,77

14

Отходы алмазообогащения (ЮАР)

0,40

15

ОАО Архангельской алмазоносной провинции

0,31

Примечание. * Сводная таблица построена на основании ранее полученных на кафедре СМИиК результатов исследований техногенных песков различных месторождений.

Сравнительный анализ микроструктуры контактной зоны цементного камня с активированным в процессе помола вулканическим туфом (рис. 3, б) и песком Вольского месторождения, взятым в качестве эталона (рис. 3, б), дает возможность предположить, что исследуемое сырье обладает неплохой адгезией и может быть использовано в качестве компонента композиционного вяжущего.

а pic_21.tif б pic_22.tif

Рис. 3. Контактная зона цементного камня с кремнеземистым компонентом: а – вольский песок; б – вулканический туф

Так как себестоимость производства КВ во многом определяется размолоспособностью компонентов, используемых для их производства, были проведены исследования по определению кинетики помола вулканического туфа и природного кварцевого песка. Помол производился в лабораторной вибрационной мельнице, в качестве контрольных точек выступали удельные поверхности 300, 400 и 500 м3/кг.

Из приведенных результатов (табл. 3) видно, что исследуемое сырье обладает более высокими показателями размолоспособности, при этом время, необходимое для достижения заданной удельной поверхности, сокращается примерно в 3 раза, что будет способствовать значительному снижению энергозатрат при изготовлении композиционных вяжущих. Лучшая размолоспособность вулканического туфа объясняется, меньшей твердостью альбита и каолинита, входящих в его состав (см. рис. 1), в сравнении с кварцем – основным минералом природного песка. А также тем, что предел прочности контактной зоны между породообразующими минералами исследуемого техногенного сырья, который по своему составу полиминерален, значительно меньше прочности самих минералов.

Таблица 3

Кинетика помола кремнеземсодержащих компонентов

Вид кремнеземсодержащего компонента

Удельная поверхность, м3/кг

Время помола, мин

Кварцевый песок

327,8

422,5

528,8

28

39

58

Вулканический туф

332,9

420,2

526,6

10

13

20

Выводы

Таким образом, исходя из результатов проведенных исследований, имеются все основания сделать вывод о целесообразности использования вулканического туфа Камчатки в качестве кремнеземистого компонента композиционных вяжущих и изделий на их основе, при этом его применение будет способствовать существенному снижению энергозатрат на помол, а также решению экологической проблемы и расширению сырьевой базы региона.

Работа выполнена в рамках реализации Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012–2016 гг.

Рецензенты:

Логанина В.И., д.т.н., профессор кафедры «Стандартизация, сертификация и аудит качества», ФГБОУ ВПО ПГАСУ, г. Пенза;

Евтушенко Е.И., д.т.н., профессор, проректор по научной работе, ФГБОУ ВПО БГТУ им. В.Г. Шухова, г. Белгород.

Работа поступила в редакцию 11.02.2014.


Библиографическая ссылка

Трунов П.В. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВУЛКАНИЧЕСКОГО ТУФА КАМЧАТКИ В КАЧЕСТВЕ КРЕМНЕЗЕМИСТОГО КОМПОНЕНТА КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 3-3. – С. 490-494;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=33701 (дата обращения: 14.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074