Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

THE PROSPECTS OF USE OF A VOLCANIC TUFA OF KAMCHATKA AS A SILICIC COMPONENT OF THE COMPOSITE ASTRINGENTS

Trunov P.V. 1
1 Belgorod State Technological University n.a. V.G. Shoukhov
Composite astringents now are one of effective materials, their use allows to save raw material resources, due to use of technogenic raw materials, and also to receive products with unique properties. That’s why possibility of use of volcanic raw materials of Kamchatka as a silicic component of the composite astringents was considered. For achievement of a goal the complex analysis of studied raw materials was carried out. The received results – a mineral, chemical composition, the analysis of a form and morphology of grains of a tufa, nature of adhesion to a cement stone, and also comparison with other technogenic sand which are earlier investigated, gave the chance to judge expediency of use of these raw materials as a component composite astringents and products on their basis.
tuff
composite binders
technogenic raw materials
activity
1. Alfimova N.I. Povyishenie effektivnosti stenovyih kamney za schet ispolzovaniya tehnogennogo syirya // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2011, no. 2. pp. 56–59.
2. Alfimova N.I., Cherkasov V.S. Perspektivy ispol’zovanija othodov proizvodstva keramzita v stroitel’nom materialovedenii // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova, 2010, no. 3, pp. 21–24.
3. Alfimova N.I., Shapovalov N.N. Materialyi avtoklavnogo tverdeniya s ispolzovaniem tehnogennogo alyumosilikatnogo syirya // Fundamentalnyie issledovaniya, 2013, no. 6 (ch. 3). pp. 525–529.
4. Vliyanii genezisa mineralnogo napolnitelya na svoystva kompozitsionnyih vyazhuschih / N.I. Alfimova, I.V. Zhernovskiy, E.A. Yakovlev, T.G. Yurakova, G.A. Lesovik // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova, 2010, no. 1. pp. 91–94.
5. Vyisokokachestvennyie betonyi na tehnogennom syire dlya otvetstvennyih izdeliy i konstruktsiy / L.A. Suleymanova, R.V. Lesovik, E.S. Glagolev, D.M. Sopin // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova, 2008, no. 4. pp. 34–37.
6. Ispolzovanie kompozitsionnyih vyazhuschih dlya povyisheniya dolgovechnosti bruschatki / V.S. Lesovik, M.S. Ageeva, Yu.V. Denisova, A.V. Ivanov // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2011, no. pp. 52–54.
7. Klyuev S.V., Avilova E.N. Melkozernistyiy fibrobeton s ispolzovaniem polipropilenovogo volokna dlya pokryitiya avtomobilnyih dorog // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2013, no. 1. pp. 37–40.
8. Lesovik V.S., Ageeva M.S., Ivanov A.V. Granulirovannyie shlaki v proizvodstve kompozitsionnyih vyazhuschih // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2011, no. 3. S. 29–32.
9. Lesovik R.V., Alfimova N.I., Kovtun M.N. Stenovyie kamni iz melkozernistogo betona na osnove tehnogennogo syirya // Izvestie vuzov. Stroitelstvo, 2007, no. 11. pp. 46–49.
10. Lesovik R.V., Klyuev S.V. Fibrobeton na kompozitsionnyih vyazhuschih i tehnogennyih peskah Kurskoy magnitnoy anomalii dlya izgibaemyih konstruktsiy // Inzhenerno-stroitelnyiy zhurnal, 2012. T29, no. 3. pp. 41-47.
11. Lesovik R.V., Kovtun M.N., Alfimova N.I. Kompleksnoe ispolzovanie othodov obogascheniya YuAR // Promyishlennoe i grazhdanskoe stroitelstv, 2007, no. 8, pp. 30–31.
12. O vozmozhnosti ispolzovaniya tehnogennyih peskov v kachestve syirya dlya proizvodstva stroitelnyih materialov* / R. V. Lesovik, N.I. Alfimova, M.N. Kovtun, A.N. Lastovetskiy // Regionalnaya arhitektura i stroitelstvo, 2008, no. 2. pp. 10–15.
13. Perspektivyi ispolzovaniya vulkanicheskogo peska Ekvadora dlya proizvodstva melkozernistyih betonov / V.V. Strokova, N.I. Alfimova, F.A. Navarette Velos, M.S. Sheychenko // Stroitelnyie materialyi, 2009, no, 2. pp. 32–33.
14. Pressovannyie materialyi avtoklavnogo tverdeniya s ispolzovaniem othodov proizvodstva keramzita / V.V. Strokova, N.I. Alfimova, V.S. Cherkasov, N.N. Shapovalov // Stroitelnyie materialyi, 2012, no. 3. pp. 14–15
15. Ratsionalnyie oblasti ispolzovaniya syirya ugolnyih razrezov / E.I. Hodyikin, E.V. Fomina, M.A. Nikolaenko, M. S. Lebedev // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova, 2009. no. 3, pp. 125–128
16. Suleymanov L.A., Zhernovskiy I.V., Shamshurov A.V. Spetsialnoe kompozitsionnoe vyazhuschee dlya gazobetonov neavtoklavnogo tverdeniya // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova, 2012, no. 1. pp. 39–45.
17. Suleymanova L.A., Kara K.A. Optimizatsiya sostava neavtoklavnogo gazobetona na kompozitsionnom vyazhuschem // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhov, 2012, no. 2. S. 28–30.
18. Fomina E.V., Kozhuhova M.I., Kozhuhova N.I. Otsenka effektivnosti primeneniya alyumosilikatnoy porodyi v sostave kompozitsionnyih vyazhuschih // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova, 2013, no. 5, pp. 31–35.
19. Sheychenko M.S., Lesovik V.S., Alfimova N.I. Kompozitsionnyie vyazhuschie s ispolzovaniem vyisokomagnezialnyih othodov Kovdorskogo mestorozhdeniya // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova, 2011, no. 1. pp. 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.