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:

где – активность ТМЦ на изучаемом песке, МПа; – 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).

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

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.

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*

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 б

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

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.