WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

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

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:

  1. 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.
  2. 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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.