WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 
На правах рукописи

КРАШЕНИННИКОВ  Олег Николаевич

Научные основы получения

плотных, пористых заполнителей и бетонов

различного функционального назначения

из природного и техногенного сырья

кольского полуострова

Специальность 05.23.05 –

Строительные материалы и изделия

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва - 2007

Диссертационная работа выполнена в отделе технологии строительных ма-териалов Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья  им.  И.В.Тананаева  Кольского  научного центра Российской  академии  наук

(ИХТРЭМС КНЦ РАН)

Научный консультант:

член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Гусев Борис Владимирович

Официальные оппоненты: 

доктор технических наук, профессор

Орентлихер Лидия Петровна

доктор технических наук, профессор

Ремнев Вячеслав Владимирович

доктор технических наук, профессор

Соловьянчик Александр Романович

 

Ведущая организация:

ФГУП «ВНИПИИстромсырье»

                     

Защита состоится  «_12__»        октября                 2007 г. в 10 ч. на заседании диссертационного совета Д 303.018.01 при Научно-исследовательском институте транспортного строительства по адресу:  129329,  Москва,  ул. Кольская, д. 1

ОАО ЦНИИС.        

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС.        

       Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан «___»                2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук        Петрова Ж.А.

ОБЩАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА  РАБОТЫ

       

Актуальность. Реализация национального проекта «Достойное и комфортное жилье - гражданам России», федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 гг.)», программ по развитию отдельных регионов страны невозможна без решения проблем освоения местных сырьевых ресурсов, изыскания путей рационального их использования и получения строительной продукции надлежащего качества, в том числе заполнителей и бетонов различного функционального назначения. До последнего времени в стране прослеживалась тенденция истощения минерально-сырьевой базы нерудных строительных материалов, их запасы постоянно снижались. Вместе с тем продолжали накапливаться в больших количествах горнопромышленные отходы, объемы утилизации которых значительно ниже, чем в развитых странах. Вопросы комплексного использования местных видов сырья требуют ускоренного решения. Особое место занимают проблемы развития северных районов Российской Федерации, где сосредоточено большинство важнейших для народного хозяйства видов полезных ископаемых.

Мурманская область является индустриально развитым регионом в евро-арктической части России, где создан мощный горнопромышленный комплекс (ГПК) и осуществляется разработка уникальных месторождений апатитонефелинового и вермикулитслюдяного, железорудного, медно-никелевого и редкометалльного сырья, разведан ряд месторождений строительного, облицовочного и цветного камня, обнаружены крупные залежи вспучивающихся сланцев. Производственная деятельность предприятий, добывающих и перерабатывающих природное сырье, неблагоприятно сказывается на экологической обстановке в регионе, объёмы горнопромышленных отходов к настоящему времени превысили 6.5 млрд т. Изменившаяся за последние 15 лет экономическая ситуация в стране, переход на рыночные отношения обусловливают необходимость решения проблемы более полного использования местного природного и техногенного сырья, а также производства на их основе строительных материалов непосредственно в богатых полезными ископаемыми регионах.

Правительством Мурманской области в 2005 г. утверждена «Стратегия развития строительного комплекса Мурманской области до 2015 года», направленная на решение актуальных проблем развития народного хозяйства Кольского региона на ближайшую перспективу, включая вовлечение в эксплуатацию новых нефтяных и газовых месторождений на шельфе Баренцева моря, развитие атомной энергетики, горнопромышленного, транспортно-коммуникационного комплексов, жилищного, дорожного строительства и др. Одна из важных ее задач - необходимость повышения комплексности добываемого сырья и получение строительной продукции требуемых объемов и качества, включая ее основные виды: заполнители и бетоны на их основе. Потенциальные возможности более полного и рационального освоения минерально-сырьевой базы Кольского ГПК должны способствовать развитию строительной отрасли как на региональном, так и федеральном уровнях.

       Цель работы и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка научных основ получения плотных, пористых заполнителей и бетонов различного функционального назначения: тяжелых, легких, теплоизоляционных, огне- и жаростойких - из природного и техногенного сырья Кольского полуострова (включая материковую часть Мурманской области).

       Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

  • проанализировать современное состояние и возможности развития минерально-сырьевой базы Кольского полуострова для получения плотных и пористых заполнителей;
  • изучить вскрышные скальные породы хибинских месторождений апатитонефелиновых руд - как крупномасштабного нетрадиционного сырьевого источника для получения плотных заполнителей и бетонов на их основе;
  • исследовать местные вспучивающиеся сланцы как потенциальное сырье для получения пористых заполнителей и легких бетонов;
  • разработать эффективные виды вермикулитсодержащих теплоизоляционных, негорючих, огне- и жаростойких материалов;
  • установить технико-экономическую эффективность применения рассматриваемых видов строительных материалов из местного сырья и разработать нормативную документацию.

Научная новизна состоит в обосновании возможности использования новых нетрадиционных видов кольского природного и техногенного сырья, в решении научной проблемы получения плотных, пористых заполнителей, а также в разработке на их основе различных видов бетонов:

- выявлены характер взаимодействия главных породообразующих минералов вскрышных скальных пород хибинских месторождений апатитонефелиновых руд с цементным камнем и влияние условий твердения тяжелого бетона на нефелинсодержащих заполнителях на синтез новообразований и формирование контактной зоны повышенной плотности;

- установлена коррозионная стойкость стальной арматуры в бетоне на заполнителях из вышеуказанных вскрышных пород и показано, что в системе «нефелинсодержащий заполнитель - цементный камень» обеспечиваются условия пассивации арматуры в неагрессивных газо-воздушных средах;

- показаны механизм вспучивания, влияние минерального состава и объема газовой фазы на формирование пористого заполнителя из местных вспучивающихся серицит-альбит-хлорит-кварцевых сланцев;

- разработана программа и предложена методика определения пористости вспученных сланцев, установлена зависимость количества и размера пор от температуры обжига исходного сырья;

- установлено, что контактная зона «пористый заполнитель - цементный камень» характеризуется увеличением микротвердости и снижением СаОсв по сравнению с цементной матрицей;

- впервые реализован принцип теплофизической анизотропии для решения проблемы повышения пожарной безопасности заделок проходов электрических кабелей через строительные конструкции вермикулитсодержащими материалами;

- предложен способ получения вермикулита с пониженной температурой вспучивания, обеспечивающий трехкратное увеличение объема исходного концентрата при 300С.

Практическая значимость результатов исследований:

- предложено решение важной научно-практической задачи, связанной с использованием в строительстве крупномасштабного техногенного сырьевого источника - вскрышных скальных пород хибинских месторождений апатитонефелиновых руд;

- показано, что щебень из вскрышных пород обладает высокими показателями, обеспечивающими возможность его использования в дорожном строительстве: устройстве оснований на автомобильных дорогах всех технических категорий и во всех дорожно-климатических зонах, покрытий без применения вяжущих, получении асфальтобетонных смесей, бетонных монолитных и сборных покрытий;

- разработаны составы тяжелых бетонов на нефелинсодержащих заполнителях в пределах класса В30, свойства которых сопоставимы с показателями равнопрочных тяжелых бетонов на традиционном гранитном заполнителе;

- установлены технологические режимы, обеспечивающие получение из местных сланцев пористого заполнителя с необходимыми коэффициентом вспучивания и другими техническими показателями; на его основе разработаны составы легкого бетона требуемого качества классов В3.5-В12.5;

- получен жаростойкий конструкционно-теплоизоляционный бетон на основе ковдорского вермикулита с тонкодисперсными добавками из золоотходов кислого состава и других техногенных продуктов, обеспечивающий класс в пределах И9-И10 по допустимой температуре применения;

- одностадийным способом в скоростном смесителе получен негорючий плитный утеплитель для кровельных покрытий из вермикулитопенобетонных смесей, выпущена опытно-промышленная партия плит и заложен экспериментальный участок на кровле крупного промышленного объекта;

- разработаны для огнезащитной заделки проходов электрических кабелей через строительные конструкции секционированное устройство с использованием вермикулита, обеспечивающее самоуплотнение заделки при пожаре, ее неразрушаемость, экологическую безопасность, 1.5-часовой предел огнестойкости и предотвращающее перегрев кабеля в месте заделки при эксплуатации, а также конструкционно-теплоизоляционный вермикулитобетон для эксплуатационно надежных заделок с высоким пределом огнестойкости;

- установлена экономическая эффективность использования исследуемых видов минерального сырья для получения строительных материалов.

На защиту выносятся

- научно-техническое обоснование возможности использования в строительстве нетрадиционного крупномасштабного сырьевого источника - вскрышных скальных пород хибинских месторождений апатитонефелиновых руд;

- установление эффективности применения местных вспучивающихся сланцев как потенциального сырья для получения искусственных пористых заполнителей и легкого бетона на их основе;

- результаты исследований по разработке эффективных видов теплоизоляционных, негорючих и жаростойких вермикулитсодержащих материалов и изделий;

- разработка устройств нового типа для огнезащитной заделки проходов электрических кабелей с использованием вермикулитсодержащих смесей, обеспечивающих повышенную надежность заделки при её эксплуатации и пожаре;

- технико-экономическая эффективность выполненных научных разработок;

- результаты опытно-промышленных испытаний, внедрения и разработки нормативной документации.

Вклад автора в разработку проблемы. Автором осуществлены: научное обоснование работы, выбор и разработка методов и программ исследований, их организация и непосредственное участие в проведении, анализ и обобщение результатов, разработка нормативной документации, участие в опытно-промышленных испытаниях и внедрении научных разработок.

В диссертации представлены результаты исследований, выполнявшихся лично автором и под его научным руководством:

- начиная с 1975 года по настоящее время по планам научно-исследовательских работ ИХТРЭМС Кольского научного центра РАН, включавших тематику, связанную с изучением кольского природного и техногенного сырья и получением строительных материалов, в т.ч. заполнителей и бетонов на их основе;

- по проекту «Разработка эффективных материалов из природного и техногенного сырья Кольского полуострова для обеспечения строительства объектов промышленного и гражданского назначения в условиях Крайнего Севера» региональной целевой научно-технической программы Мурманской области на 2004-2005 годы;

- по проектам «Разработка теоретической модели теплопереноса в футеровках, создание на ее основе магнезиально-силикатных огнеупоров высокой термостойкости и жаростойких конструкционно-теплоизоляционных бетонов» (2003-2005 гг.) и «Разработка нового композиционного материала: огнеупор-жаростойкий конструкционно-теплоизоляционный вермикулитобетон для футеровки высоконагревательного оборудования» (с 2006 г.) в соответствии с программой Отделения химии и наук о материалах РАН.

Реализация результатов исследований:

- выпущена промышленная партия дробленой вскрышной породы уртитового состава объемом 220 тыс. м3, использованная в дорожном строительстве;

- в АОЗТ «Хидал» (г.Мурманск) внедрена технология получения стеновых камней из вибропрессованного легкого бетона с использованием шунгизитовых пылей уноса - отходов Мурманского завода шунгизитового гравия;

- в ПКПО «Апатитстройиндустрия» Главмурманскстроя для выпуска однослойных стеновых панелей внедрена технология поризованного легкого бетона с использованием синтетического пенообразователя, что способствовало улучшению качества продукции;

- в ОАО «Апатит» реализована технология тепловой изоляции промышленных водогрейных котлов ПТВМ-3ОМ, КВГ-50 с помощью вермикулитсодержащих смесей, обеспечивающих необходимые формовочные свойства и физико-механические показатели вермикулитобетона. Общая площадь изолированных поверхностей 5 котлов с использованием разработанных смесей составила 1200 м2;

- установлена целесообразность использования золоотходов Апатитской ТЭЦ в качестве активной минеральной добавки в бетоны. Положительные результаты исследований позволили обосновать проведение геолого-разведочных работ и утвердить запасы золошлаковых смесей в объеме 168 тыс. м3 на первоочередном для отработки участке золоотвала;

-  выполненные научные разработки включены для практической реализации в «Стратегию развития строительного комплекса Мурманской области до 2015 года».

Разработаны технические условия на следующие строительные материалы:

- ТУ 113-12-1-12-88 (совм. с СоюздорНИИ) «Порода скальная дробленая рудника «Восточный» ОАО «Апатит», предназначенная для устройства оснований автомобильных дорог;

- ТУ 113-00-77-15-89 (совм. с СоюздорНИИ) «Смеси щебеночно-песчаные из породы скальной дробленой рудника «Центральный» ОАО «Апатит», предназначенные для устройства щебеночных оснований автомобильных дорог, а также покрытий без применения вяжущих материалов на дорогах IV-V категорий;

- ТУ 2025-90 (совм. с СоюздорНИИ) «Смеси асфальтобетонные на основе нефелинсодержащих пород уртит и рисчоррит», которые распространяются на горячие и теплые асфальтобетонные смеси, полученные на основе заполнителей из нефелинсодержащих пород, предназначенные для устройства верхних и нижних слоев покрытий на дорогах I-IV категорий;

- ТУ 66.023-90 (совм. с СоюздорНИИ) «Смеси бетонные и бетон на основе продуктов дробления вскрышных нефелинсодержащих пород уртита и рисчоррита ОАО «Апатит» для дорожного строительства», предназначенные для монолитных и сборных покрытий и оснований автомобильных дорог всех категорий;

- ТУ 66.024-90 (совм. с НИИЖБ) «Бетон тяжелый на основе заполнителей из уртита и рисчоррита для промышленного и гражданского строительства», распространяющиеся на бетоны для монолитных и сборных бетонных и железобетонных деталей, изделий и конструкций, эксплуатирующихся в неагрессивных газо-воздушных средах;

- ТУ 5765-001-04694169-94 (совм. с ФГУ ВНИИПО) «Подушки огнезащитные вермикулитсодержащие марки ПОВ-4», предназначенные  для заделки проходов кабелей в различных конструкциях при толщине заделки 300 мм с пределом огнестойкости не менее 1.5 ч и устройства огнепреградительных поясов;

- ТУ 5722-002-04694169-95 «Концентрат вермикулитовый модифицированный», предназначенный для получения расширяющихся материалов на основе вермикулита с пониженной температурой вспучивания;

- ТУ 5712-003-04694169-95 «Сланцы хлоритовые месторождения «Вуручуайвенч» и заполнитель пористый на их основе», применяемые для получения легких бетонов, теплоизоляционных  изделий и засыпок.

Апробация работы. Основные результаты исследований представлены на 25 международных, 30 всероссийских (всесоюзных), 12 институтских научных конференциях и совещаниях, включая: «Применение вермикулита в народном хозяйстве» (Ленинград, 1982), «Пены. Физико-химические свойства и применение» (Пенза, 1985), «Проблемы комплексного использования природных ресурсов Кольского полуострова» (Апатиты, 1989), «Бетоны на основе золы и шлака ТЭС и комплексное их использование в строительстве» (Новокузнецк, 1990), «Новые разработки в области обнаружения и тушения пожаров» (Нетешин, 1992), «Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций» (Белгород, 1995), «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в производстве строительных материалов» (Новосибирск, 1997), «Поверхностно-активные вещества в строительстве» (Санкт-Петербург, 1998), Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Москва, 1998), «Химия и химическая технология в освоении природных ресурсов Кольского полуострова» (Апатиты, 1998), «Проблемы комплексной переработки минерального сырья и охраны окружающей среды» (Петрозаводск, 1999), «Современные проблемы строительного материаловедения. 6-е академические чтения РААСН» (Иваново, 2000), «Геологическая служба и минерально-сырьевая база России на пороге XXI века» (Санкт-Петербург, 2000), «Природопользование в Евро-Арктическом регионе: опыт XX века и перспективы» (Апатиты, 2001), «Природные ресурсы северных территорий: проблемы оценки, использования и воспроизводства» (Архангельск, 2002), «Фундаментальные проблемы комплексного использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных материалов» (Апатиты, 2003), «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (Москва, 2003), «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2003), научные чтения «Достижения строительного материаловедения», посвященные 100-летию со дня рождения П.И.Боженова (Санкт-Петербург, 2004), «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (Белокуриха, 2005), «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2005), «Наука и развитие технобиосферы Заполярья: опыт и вызовы времени» (Апатиты, 2005), «Бетон и железобетон – пути развития» (Москва, 2005), «Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов» (Петрозаводск, 2005).

Научные разработки, руководимые автором, экспонировались на ВДНХ (серебряная медаль), на 5 международных выставках в области высоких технологий в 2001-2006 гг. (Москва, Санкт-Петербург), где отмечены 3 серебряными и золотой медалями, а также медалью «За выдающиеся технологии и качество продукции» на Международном строительном форуме «Интерстройэкспо 2005» (Санкт-Петербург).

Публикации. Всего опубликовано 230 научных работ, в том числе по теме диссертации 186, включая 4 монографии, препринт, 110 статей. Получено 8 авторских свидетельств, патентов. В 2004-2006 гг. опубликовано 11 статей в рекомендуемых ВАК РФ журналах: «Строительные материалы» (6), «Бетон и железобетон», «Огнеупоры и техническая керамика» (2), «Новые огнеупоры», «Пожарная безопасность».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 317 страницах машинописного текста, включающего 50 рисунков, 53 таблицы, список использованных источников из 325 наименований.

Содержание работы

Во введении изложена актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, указаны научная новизна и практическая значимость работы, выносимые на защиту положения, вклад автора в разработку проблемы и апробация работы.

В главе 1 представлены анализ современного состояния и перспективы развития минерально-сырьевой базы Кольского полуострова для получения плотных, пористых заполнителей и бетонов на их основе. По состоянию на 01.01.2005 г. балансом запасов по Мурманской области учтены следующие месторождения нерудных строительных материалов, в числе которых 26 – строительного камня, 18 – облицовочного камня, 57 – песчано-гравийных смесей и 24 – строительного песка, запасы которых по кат. А+В+С1 составляют 192.8, 10.5, 42.9 и 26.7 млн м3 соответственно. Этими запасами строительная отрасль региона обеспечена на среднесрочную перспективу для получения плотных, крупных, мелких и декоративных заполнителей, в том числе щебня для строительных работ в объеме 7.9 млн м3, предусмотренном «Стратегией развития строительного комплекса Мурманской области до 2015 года». Однако у большинства эксплуатируемых месторождений ресурсы истощены, они могут быть отнесены к группе очень мелких, запасы которых не превышают 1 млн м3. Для решения проблемы организации массового производства щебня для строительных работ, связанной с выполнением вышеуказанных национальных проектов и программ, необходимо вовлечение в хозяйственных оборот крупномасштабного сырьевого источника, к которому, по нашему мнению, в первую очередь должны относиться вскрышные скальные породы рудных месторождений. Наиболее крупным среди них являются породы вскрыши разрабатываемых хибинских месторождений апатитонефелиновых руд. Научно-техническое обоснование возможности использования в строительной отрасли этих пород, относимых действующим стандартом к некондиционному сырью и требующих специальных исследований, дано в главе 3 диссертации.

Результаты геологических работ показывают, что Кольский регион располагает огромными прогнозными ресурсами вспучивающихся сланцев, которые составляют более 600 млн м3; при этом среди обнаруженных проявлений наиболее крупным является Цыпнаволок на полуострове Рыбачий. В главе 4 диссертации изложены результаты исследований местных вспучивающихся сланцев и обоснована целесообразность их использования для получения искусственных пористых заполнителей и легкого бетона на их основе.

Одним из уникальных природных богатств Мурманской области является вермикулит, крупнейшее на Евразийском континенте Ковдорское месторождение которого эксплуатируется ОАО «Ковдорслюда». Из 5 учтенных балансом запасов по РФ месторождений вермикулита на долю Ковдорского приходится более 20 млн т, что составляет 80% общих запасов по стране. Вопросам рационального использования этого минерального сырья для получения эффективных видов теплоизоляционных, негорючих, огне- и жаростойких материалов посвящена глава 5 диссертации.

В главе 2 приведены методы исследований сырья, веществ и разрабатываемых строительных материалов с учетом требований действующих нормативных документов: ГОСТов, ТУ, СНиПов и рекомендаций; дано краткое описание нестандартных методов исследований. Среди основных использованных методов исследований: минералого-петрографический, химический, термографический, рентгенометрический, микрозондовый, растровый электронно-микроскопический, радиационно-гигиенической оценки, физико-механические методы испытаний (прочности, микротвердости, морозостойкости, истираемости, дробимости, износа, адгезии, усадки, удельной поверхности, реакционной способности и др.), теплофизические, электрофизические, оценки декоративности, огне- и жаростойкости. По результатам многофакторных испытаний строительных материалов выполнена их статистическая обработка.

Глава 3 посвящена исследованию вскрышных скальных пород  хибинских месторождений апатитонефелиновых руд как крупномасштабного сырьевого источника для использования в строительстве. Хибинский массив относится к крупнейшим в мире щелочным массивам, с которым связаны уникальные залежи апатитонефелиновых руд, не имеющие аналогов ни по масштабам запасов, ни по набору и концентрации полезных компонентов. ОАО «Апатит» является основным производителем апатитового концентрата, обеспечивая более 80% его выработки в России. При ежегодной добыче около 30 млн т  апатитонефелиновой руды в отвалы направляется более 20 млн м3 вскрышных скальных пород, одним из главных породообразующих минералов которых является нефелин. Поскольку содержание этого минерала в породах, как правило, превышает 10%, регламентируемые ГОСТом 8267-93,  то для установления возможности их использования в строительстве необходимо проведение специальных исследований, что и является одной из основных задач диссертации.

В работе рассматриваются две основных разновидности нефелинсодержащих пород: уртиты и рисчорриты, характерные для вскрыши открытых рудников ОАО «Апатит» – Восточного и Центрального. Главными породообразующими минералами уртита и рисчоррита являются соответственно, мас.%: нефелин (КNa3[AlSiO4]4) 71.6 и 43.5, полевой шпат (K[AlSi3O8]) 8.4 и 30.1, пироксен (NaFe[Si2O6]) 14.0 и 13.5, сфен (CaTiSiO5) 3.9 и 6.0; присутствуют апатит 1.0 и 3.0, титаномагнетит 0.5 и 0.9, биотит 0.1 и 0.7; акцессории: эвдиалит, энигматит,  лампрофиллит, содалит, пектолит и др.

Породы относятся к плотным (2.7-2.8 г/см3), прочным (Rсж=160-280 МПа), с низкими водопоглощением (менее 0.4%), истираемостью (не более 0.15 г/см2) и морозостойкостью F>100. Среднее значение Аэфф уртита составляет 164, а рисчоррита – 274 Бк/кг; по радиационному фактору породы относятся к I классу без ограничения использования в строительстве. Щебень из уртита и рисчоррита соответствует требованиям ГОСТ 8267-93, обладая сравнительно высокими физико-механическими показателями: дробимость не менее 1200, износ ИI-ИII, морозостойкость F150.

Химическим способом и методом деформаций расширения установлено, что исследуемые породы относятся к категории потенциально нереакционноспособных заполнителей бетона. В результате испытаний 40 проб показано, что содержание растворимого кремнезема в уртите и рисчоррите не превышает регламентируемые 50 ммоль/л, в среднем составляя 12.5 и 14.6 ммоль/л соответственно. При этом только по двум пробам рисчоррита (5% от общего числа исследованных проб) установлено некоторое превышение допустимой нормы: 55.6 и 64.3 ммоль/л, что, по-видимому, связано с содержащейся в этих пробах примесью натролита или анальцима. Для изучения реакционной способности уртита и рисчоррита с максимальным содержанием растворимого кремнезема (27.6 и 64.3 ммоль/л) определены деформации расширения образцов раствора на этих нефелинсодержащих заполнителях, а также контрольных образцов на гранитном песке по методике ЦНИИС, НИИЖБ. В результате годичных испытаний установлено, что относительное расширение исследуемых образцов невелико (не превышает 0.03-0.04%) и сопоставимо с показателем для образцов на гранитном заполнителе (0.03%).

       На основе уртитового и рисчорритового щебня подобраны составы  тяжелого бетона, результаты испытаний которых обеспечивают получение бетона классов В10-В30. Установлено, что прирост прочности в возрасте 360 сут. и коэффициент призменной прочности бетона естественного твердения на основе щебня из нефелинсодержащих пород и кварцевого песка в возрасте 28 сут. не ниже, чем для тяжелого бетона на стандартном гранитном щебне. Модуль упругости опытных образцов бетонов выше на 17-30% по сравнению с равнопрочным бетоном для данных классов, а их предельная сжимаемость на 8% ниже принятого для тяжелых бетонов значения. Усадка бетонов на щебне из нефелинсодержащих пород и мера их ползучести в возрасте 280 сут. не выше, чем для стандартного тяжелого бетона такой же прочности. Комплексные исследования деформативных свойств показали, что бетоны на основе щебня из нефелинсодержащих пород не уступают равнопрочным тяжелым бетонам на гранитном заполнителе.

       Исследованиями макропористости бетонов установлено, что независимо от вида заполнителя и условий тепловой обработки с увеличением сроков твердения происходит уплотнение структуры бетонов: уменьшается количество «технологических» пор (диаметром >0.1 мм) в среднем от 1.5% в образцах однодневного возраста до 0.7% к 28-суточному сроку.

Рассмотрено взаимодействие с цементом главных породообразующих минералов вскрышных пород, которое  характеризовалось следующими условными степенями: механическим сцеплением и химическим взаимодействием (слабое, среднее, сильное – в зависимости от степени «размывания» границы контакта «минерал – вяжущее» вплоть до образования адгезионной каймы).  Из  рис. 1 следует, что всем породообразующим минералам, особенно нефелину, присуще увеличение доли химического взаимодействия с цементом при возрастании сроков нормального твердения и при использовании тепловлажностной обработки бетона.

Установлено, что в контактной зоне «нефелин – цементный камень» микротвердость увеличивается на 20-30% по сравнению с последним. Изменение микротвердости цементного камня на контакте с полевым шпатом, эгирином и сфеном имеет различный характер, но выражено слабее, чем с нефелином.

Рисунок 1 – Взаимодействие породообразующих минералов уртита с цементом: НТ - нормальное твердение; ТВО - тепловлажностная обработка; 1, 7, 28 - срок твердения в сутках

       Исследования сколов образцов зерен нефелина и цемента с помощью растрового электронного микроскопа свидетельствуют о хорошем контакте минералов с затвердевшим цементным камнем (рис. 2а). В порах затвердевшего камня наблюдаются пластинки гидроксида кальция и характерные новообразования гидросиликатов и гидроалюмосиликатов (рис. 2б). Рентгенометрические исследования подтверждают наличие этих фаз, а также гидроалюмосиликатов натрия: анальцима (Na[AlSi2O6]⋅Н2О) и натролита (Na2[Al2Si3O10]⋅2Н2О) – минералов-примесей, свойственных измененному в ходе реакции нефелину (рис. 3).

Результаты микрозондового анализа показывают, что изменение концентрации основных химических элементов, включая K и Na, на контакте нефелинового заполнителя с цементным камнем происходит практически скачкообразно (рис. 4). Растровая микрофотография приграничной области «нефелиновый заполнитель – цементный камень» свидетельствует об уплотненной контактной зоне (рис. 5). На повышение плотности контактной зоны, связанное с увеличением в ней микротвердости, существенное влияние оказывает образование гидрогранатов, обладающих повышенной плотностью 3-3.5 г/см3, как одной из фаз при взаимодействии нефелина с гидроксидом кальция по следующей реакции:

2NaAlSiO4+3Ca(OH)2=Ca3Al2(SiО4)2(OН)4+2NaOH.

На рис. 6 представлены анодные поляризационные кривые стали в бетоне на нефелинсодержащих заполнителях, снятые в исходном состоянии, после 6 мес. попеременного увлажнения - высушивания и после года хранения в атмосферных условиях Москвы. Рисунок иллюстрирует пассивное состояние стали в бетоне на нефелинсодержащих заполнителях всех составов при различных условиях испытаний, рН жидкой фазы таких бетонов (12.45-12.93) находится в области значений, превышающих 11.8 и обеспечивающих пассивацию стали.

а

б

Рисунок 2 – Растровые электронные микрофотографии скола на контакте «цементный камень – зерна нефелина» (а) и дна поры бетона (б). Ув. 450

       

Рисунок 3 –  Рентгенограмма  контактной  зоны  бетона  на  уртитовом  заполнителе

Рисунок 4 – Концентрационные кривые щелочных элементов в контактной зоне «нефелин – цементный камень – нефелин»

Рисунок 5 – Контактная зона «нефелин – цементный камень» (в поглощенных электронах е+)

Рисунок 6 – Анодные поляризационные кривые стали в бетоне на нефелинсодержащих заполнителях: а – в исходном состоянии; б – после 6 месяцев увлажнения - высушивания; в – после года хранения в атмосферных условиях. Составы: 1 – на рисчорритовом щебне и кварцевом песке; 2 – на рисчорритовом щебне и рисчорритовом песке; 3 – на уртитовом щебне и кварцевом песке; 4 – на уртитовом щебне и уртитовом песке

Для оценки воздействия факторов внешней среды, которые могут влиять на изменение свойств бетона на нефелинсодержащих заполнителях при его эксплуатации, проведены исследования стойкости таких бетонов в различных средах, характерных для условий подземных выработок рудников ОАО «Апатит». К таким условиям относятся: воздушно-сухие и воздушно-влажные, длительное воздействие водных сред с уровнем рН в пределах 5-10, попеременное насыщение водой и высыхание. Результаты годичных испытаний образцов бетонов, твердевших в различных условиях, показали, что в них отсутствуют деформации расширения, существенно не снизились регламентируемые показатели (масса, размеры, скорость прохождения ультразвука, прочности при сжатии и растяжении при изгибе) по сравнению с контрольными образцами, твердевшими в водопроводной воде.

Исследованием микроструктуры бетона установлено, что образцы, хранившиеся в водных средах, имеют несколько большую степень гидратации, чем образцы, находившиеся на воздухе. Структура бетона, хранившегося в жидкой среде с рН=10, отличается наличием более мелких кристаллов эттрингита. В то же время в  порах в большом количестве присутствуют крупные агрегаты пластинчатых кристаллов гидроксида кальция, кристаллизация которого ускоряется из-за повышенной концентрации в растворе ионов гидроксила. В целом, полученные результаты годичных испытаний свидетельствуют о возможности использования нефелинсодержащих пород в качестве заполнителей бетонов, эксплуатирующихся в условиях подземных выработок на рудниках ОАО «Апатит». Это подтверждается сохранностью конструкций, изготовленных из бетона на нефелинсодержащих заполнителях из вмещающих пород, после многолетнего (не менее 20 лет) срока  эксплуатации в подземных выработках при условии соблюдения требований к качеству исходной бетонной смеси и технологии ее укладки.

       Установлено, что получаемые в результате переработки вскрышных нефелинсодержащих пород щебеночно-песчаные смеси или фракционированный щебень соответствуют требованиям, предъявляемым к материалам для дорожного строительства. Показано, что щебень из уртитов и рисчорритов может быть использован в качестве основного материала для строительства оснований дорожных одежд по способу заклинки, а щебеночно-песчаные смеси  могут  быть применены для устройства щебеночных оснований и для строительства щебеночных покрытий на дорогах IV-V технических категорий во всех дорожно-климатических зонах. На дробильно-сортировочной установке ОАО «Апатит» проведена промышленная проверка технологии переработки скальных вскрышных пород и установлена возможность получения фракционированного щебня и щебеночно-песчаных смесей, обладающих требуемыми техническими характеристиками. Для дорожного строительства произведено около 220 тыс. м3 дробленой породы из уртитов месторождения «Коашва» (Восточный рудник).

       Исследования возможности использования нефелинсодержащих пород для получения асфальтобетонов показали, что они соответствуют требованиям ГОСТ 9128-97 на смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Установлено, что по показателям пластичности и условной жесткости они не уступают горячим асфальтобетонам с использованием традиционных каменных материалов для верхних слоев покрытий, обладают высокой износостойкостью и долговечностью.

       Специальные исследования дорожных цементных бетонов, учитывающие возможность их эксплуатации в неблагоприятных условиях в растворах хлористых солей, моделирующих воздействие антигололедных реагентов, показали, что заполнитель из нефелинсодержащих пород позволяет получить при нормальном твердении бетон с маркой по морозостойкости F200, что соответствует проектным требованиям для бетона, эксплуатирующегося в районах со среднемесячной температурой наиболее холодного месяца ниже -15оС.

       Выполнена технико-экономическая оценка эффективности использования вскрышных пород хибинских апатитонефелиновых месторождений и определено, что применение щебня из этих пород по сравнению с получением щебня из карьеров природного строительного камня позволит экономить не менее 150 руб. на 1 м3 заполнителя. Показано, что наращивание выпуска щебня целесообразно в первую очередь за счет развития имеющегося дробильно-сортировочного комплекса на Восточном руднике ОАО «Апатит», направляющего в отвал более 6 млн м3 вскрышных скальных пород ежегодно и где созданы предпосылки для производства до 10 млн м3 щебня.

       Разработаны технические условия, обусловливающие возможность применения вскрышных скальных пород хибинских апатитонефелиновых месторождений в строительстве, перечень которых приведен на стр. 7 автореферата.

В главе 4 приведены результаты исследований вспучивающихся сланцев - перспективного сырья для получения пористых заполнителей и легких бетонов на их основе. Исследованиям подвергались сланцы, залежи которых были выявлены при проведении геолого-разведочных работ на территории Кольского региона: месторождения Вуручуайвенч (район г. Мончегорска) и проявлений Земляное, Кийский рейд и Цыпнаволок на полуостровах Средний и Рыбачий.

Исходя из минерального состава, сланцы в целом характеризуются как серицит-альбит-хлорит-кварцевые. В исследованных пробах содержание породообразующих минералов, мас.%: кварц – 25-50, хлорит – 11-40, альбит – 14-30, серицит – 5-15; содержание углеродистого материала не превышает 3% (преимущественно в пределах 1%). Структура сланцев алевропелитовая, пелитовая. Текстура преимущественно микрослоистая.

По химическому составу сланцы соответствуют основным требованиям, предъявляемым к глинистому сырью для получения пористых заполнителей: содержание SiO2 не превышает 60%, СаО менее 2%, MgO не более 4%, SO3 менее 1%, сумма оксидов K и Na в нормируемых пределах 1.5-6%, а Al и Ti – 10-25%. Значения Аэфф исследованных проб сланцев месторождения Вуручуайвенч составляют 100-120 Бк/кг, а проявлений сланцев на полуостровах Средний и Рыбачий 165-260 Бк/кг, т.е. сланцы могут быть использованы для производства строительных материалов без ограничений по радиационному фактору.

Установлены оптимальные температуры термоподготовки и обжига проб сланцев, находящиеся в пределах 300-400С и 1140-1170С соответственно. Исходя из классификации глинистого сырья по величине коэффициента вспучивания, большинство проб сланцев относится к группе средневспучивающихся пород, Квсп которых в зависимости от минерального состава находится в пределах 2.5-4.5. Установлено, что этим показателям соответствуют сланцы, содержание в которых хлорита, серицита и гидрослюд составляет 30-70%; уменьшение их количества ниже 30% и увеличение содержания кварца более 40% приводит к снижению Квсп. Изученные сланцы имеют достаточно широкий интервал вспучивания – 68-116С, что создает благоприятные условия при получении пористого заполнителя в промышленных условиях.

Рисунок 7 – Влияние температуры на процесс газовыделения сланцев

Изучен процесс газовыделения при температурной обработке сланцев с отбором газов при 30-минутной изотермической выдержке при различной температуре в интервале 200-1200С. На рис. 7 представлен график зависимости объема выделяющейся газовой фазы от температуры обжига технологической пробы фракции 5-10 мм сланцев месторождения Вуручуайвенч (мас.%: кварц – 39, хлорит – 26, альбит – 16,  серицит – 12); температурный интервал вспучивания 90С. Установлено, что общий объем выделившихся газов составил 9070 см3/кг породы. При этом в области наиболее интенсивного вспучивания при температурах 1100 и 1200С объем газов составил 920 и 330 см3 соответственно, чего достаточно для вспучивания доведенной до пиропластического состояния массы.

В ОАО «Шунгизит» (г. Мурманск) проведены опытно-промышленные испытания по получению пористого заполнителя из валовой партии сланцев (70 м3) месторождения Вуручуайвенч, в результате которых получен заполнитель со средним Квсп=3.3 и насыпной плотностью 340, 480 и 590 кг/м3 для фракций 20-40, 10-20 и 5-10 мм соответственно.

На основе вспученных сланцев фракций 5-10 и 10-20 мм разработан легкий бетон марок 35-100 с плотностью 950-1150 кг/м3 и поризованный легкий бетон марок 35-75 пониженной плотности 850-960 кг/м3. С учетом результатов проведенных испытаний разработаны ТУ 571-003-04604169-95, предназначенные для получения легких бетонов и теплоизоляционных материалов.

Изучены сланцы перспективных проявлений – Земляного, Кийского Рейда и Цыпнаволока, прогнозные ресурсы которых составляют 80, 150 и 384 млн м3 соответственно. Сланцы этих проявлений обладают достаточно высокой степенью вспучиваемости, достигающей для отдельных проб 4.5 (в среднем по участку отбора технологической пробы сланцев на проявлении Цыпнаволок Квсп=4.1). На рис. 8 показано распределение пор в сланцах в зависимости от температуры обжига от 990 до 1160С, обеспечивающей наибольший Квсп.

Исследования аншлифов, выполненные на установке BидeoTecт, показали, что структура сланцев, обожженных при 990С, представлена в основном мелкими порами размером до 0.1 мм в количестве 54%, содержание пор 0.1-0.2 мм – 33%. Количество пор с максимальным размером 0.8 мм составляет менее 1%. Коэффициент вспучивания сланцев при этой температуре в среднем 1.3.

  990С

  1110С

  1160С

Рисунок 8 – Распределение пор в зависимости от температуры обжига сланцев

Повышение температуры выше 1000С приводит к появлению некоторого количества расплава за счет образования легкоплавких эвтектик, в состав которых входят оксид железа(II) и щелочные оксиды. Появляются замкнутые, вытянутые в одном направлении поры, окруженные со всех сторон стеклофазовой. Увеличение при температуре 1050-1100С преобладающего количества пор размером 0.2 мм (около 70%) приводит к повышению пористости зерен до 66% и Квсп до 2.5.

При повышении температуры до оптимальной - 1160С с увеличением содержания жидкой фазы происходит дальнейшее размягчение сланцев. В расплаве происходит растворение тонкодисперсных примесей слюд, кварца, полевого шпата, продуктов диссоциации карбонатов. Под действием выделяющихся газообразных продуктов развивается процесс вспучивания, приводящий к образованию поризованного продукта, содержащего около 80% стекломассы, в которой имеются кристаллические включения кварца, полевого шпата, шпинели. В результате интенсивного вспучивания происходит быстрый рост пор, общая пористость достигает 76%. Количество пор размером 0.5-1 мм снижается до 34%, содержание пор диаметром 2-3 мм повышается до 20%.  На рис. 9 приведен характер изменения Квсп и плотности зерен сланцев (проба проявления Цыпнаволок) в результате обжига при различной температуре. Как видно из этих данных, при температуре 1160С Квсп достигает максимального значения 4.1, а средняя плотность зерен снижается до 0.59 г/см3. Размер отдельных крупных пор увеличивается до 4 мм (рис. 10).

Рисунок 9 – Зависимость Квсп (1) и плотности зерен (2) сланцев  от  температуры обжига

Рисунок 10 – Структура сланца после обжига при температуре 1160С. Ув. 8

В табл. 1 приведены основные свойства пористого заполнителя из технологической пробы сланцев проявления Цыпнаволок, свидетельствующие о достаточно высоких физико-механических показателях заполнителя. Близкими характеристиками обладают пористые заполнители из сланцев Земляного и Кийского Рейда.

На основе вспученных сланцев получены легкие бетоны классов 3.5-12.5 и плотностью 880-1110 кг/м3, обладающие необходимыми эксплуатационными показателями. Микротвердость контактной зоны «вспученный сланец - цементный камень» в среднем на 20% выше, чем  последнего за пределами этой зоны, что указывает на химическое взаимодействие минералов цемента с активными составляющими вспученных сланцев. Показано, что в этой контактной зоне содержание СаОсв меньше, чем в цементном камне; в 400-суточном возрасте содержание СаОсв составляет 6.82 и 8.34% соответственно.

Разработан композиционный пенообразователь для легкобетонных смесей на основе скрубберной пасты – отхода производства синтетических моющих средств, модифицированный добавками поверхностно-активного вещества Сампо и нитрата натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%: 1-1.35, 1-1.25 и 1-2 соответственно. Пенообразователь повышает кратность пены на 10-30% и стойкость в цементном тесте в среднем на 23%. Выполнена опытно-промышленная проверка технологии получения стеновых панелей из золосодержащих  легкобетонных смесей, пори-

Таблица 1 – Свойства пористого заполнителя из сланцев проявления Цыпнаволок

Показатель

Фракция, мм

5-10

10-20

20-40

Истинная плотность, г/см3

2.51

Средняя плотность зерен, г/см3

0.76

0.69

0.59

Насыпная плотность, кг/м3 (марка)

400

(М400)

350

(М350)

310

(М350)

Пористость зерен, об.%

69.7

72.5

75

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)

0.120

0.111

0.098

Водопоглощение, мас.%:

через 1 ч

через 48 ч

13.0

14.7

10.3

11.9

6.8

9.2

Прочность при сдавливании в цилиндре, МПа (марка)

1.4

(П50)

1.2

(П50)

1.0

(П35)

Морозостойкость (потери после 15 циклов), мас.%

1.0

1.2

1.8

Потери массы при кипячении, мас.%

1.1

1.9

2.5

Стойкость против силикатного распада, мас.%

1.2

0.6

1.6

Стойкость против железистого распада, мас.%

0.5

0.6

1.2

Содержание SO3, мас.%

0.02

Потери при прокаливании, мас.%

0.1

зованных пеной на основе синтетического композиционного пенообразователя, и показана возможность для легкого бетона марок 75-50 сокращения расхода цемента на 11-15% и шунгизитового песка до 50%. Разработка по использованию синтетического пенообразователя на основе скрубберной пасты внедрена при производстве стеновых панелей в ПКПО «Апатитстройиндустрия».

Результаты проведенных исследований показывают, что имеются объективные условия для освоения местных сырьевых ресурсов, пригодных для получения пористых заполнителей, в первую очередь крупных залежей вспучивающихся сланцев на полуостровах Средний и Рыбачий. Обнаруженные проявления обеспечены прогнозными ресурсами, исчисляемыми более чем 600 млн м3, их добыча может быть осуществлена открытым способом, а перевозка до Мурманска - наиболее дешевым  морским транспортом. Дальность транспортировки сланцев с наиболее крупного проявления Цыпнаволок (полуостров Рыбачий) до Мурманска водным путем составляет приблизительно 100 км, дальность перевозки шунгитовых сланцев из Карелии (Кондопожский шунгитовый завод) железнодорожным транспортом до Мурманска около 1000 км. Установлена технико-экономическая эффективность использования местных вспучивающихся сланцев для получения пористого заполнителя вместо привозного карельского шунгитсодержащего сырья. При годовой потребности в 120 тыс. т исходного сырья ожидаемый экономический эффект от сокращения транспортных затрат составляет 10.9 млн руб.

Глава 5 посвящена разработке эффективных видов вермикулитсодержащих теплоизоляционных, негорючих, огне- и жаростойких материалов, краткая характеристика которых дана ниже.

Теплоизоляционный негорючий вермикулитопенобетон для кровельных покрытий. Отказ от использования для кровельных покрытий горючих теплоизоляционных материалов, например широко применяющихся пенополистирольных плит, способствует повышению пожарной безопасности зданий и сооружений. Одним из прогрессивных видов негорючего утеплителя кровельных покрытий могут быть материалы на основе вспученного вермикулита и цемента, предварительно подвергавшихся высокотемпературной обработке и обеспечивающих полную несгораемость утеплителя при пожаре. Немаловажным аспектом при разработке вермикулитсодержащего материала является получение утеплителя низкой плотности во избежание превышения расчетной нагрузки покрытия на несущие конструкции; при этом должен быть обеспечен такой эксплуатационный показатель, как минимальная прочность при сжатии - 0.15-0.2 МПа.

Эффективным способом улучшения качества легкобетонных смесей, в том числе снижения плотности, является их поризация высокоустойчивыми пенами. В задачу исследований входила разработка на основе противопожарного пенообразователя, обеспечивающего получение высокократных, но малоустойчивых пен, пен с коэффициентом стойкости в цементном тесте не менее 0.9 для поризации вермикулитобетонных смесей.

Для проведения исследований был выбран широко используемый в пожаротушении пенообразователь ПО-6. С целью повышения устойчивости пен на основе ПО-6 вводились добавки водорастворимых полимеров, в частности, поливинилового спирта, поливинилацетатной дисперсии и карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ). Стабилизирующее действие этих добавок заключается в образовании высоковязких адсорбционных слоёв в средней части пенных пленок, замедляющих процесс стекания и разрушения.

Наиболее эффективным модификатором ПО-6  оказалась добавка  КМЦ  2-3%-й концентрации, существенно влияющая на основные физико-химические свойства пены: кратность, устойчивость и степень синерезиса. Кратность пены из растворов ПО-6 3-6%-й концентрации, диспергированных в течение 1 мин., достигает 81-86 (при СПО-6 = 3-4% через 15-30 мин. с начала получения пены). Введение КМЦ позволяет получить пену требуемой для легкобетонных смесей кратности.

Установлено, что если время разрушения 20% объема пены на основе ПО-6 составляет 5 мин., то бинарная смесь пенообразователя позволяет увеличить этот показатель не менее чем в 3 раза. Если время разрушения 50% объема пены с ПО-6 (W50) не превышает 45 мин. (интервал 15-45 мин.), то W50 для композиционного пенообразователя увеличивается более чем в 4 раза (>180 мин.).

Пены на основе ПО-6, модифицированные добавкой КМЦ, характеризуются сравнительно медленным процессом синерезиса (рис. 11). Так, максимальная величина обезвоживания пен с использованием КМЦ через 5 мин. не превышает 20%, а через 15 мин. – 50%, в то время как степень синерезиса для пен на основе немодифицированного  ПО-6  составляет  не менее 80-95%. Показано, что для бинарного  пенообразователя

Рисунок 11 – Изменение степени синерезиса пены во времени из раствора ПО-6 с добавкой КМЦ. Концентрация раствора ПО-6, %: А – 3; Б – 4; В – 5;  Г – 6. Содержание КМЦ, %: 1 – 0; 2 – 2; 3 – 2.5; 4 – 3

коэффициент стойкости пены в цементном тесте за счет модификации ПО-6 существенно возрастает с 0.7-0.8 до 0.9-0.98. Оптимальный состав композиционного пенообразователя повышенной стойкости для поризации вермикулитобетонных смесей может быть представлен следующей бинарной смесью: 3-5%-й раствор ПО-6 с добавкой 2-3% КМЦ.

Учитывая высокую стойкость разработанного пенообразователя, опробован одностадийный способ получения вермикулитопенобетонной смеси с использованием высокоскоростного смесителя, отличающийся от традиционного способа получения легкобетонных поризованых смесей по двухстадийной схеме, когда отдельно приготавливается пена (пеномешалка, пеногенератор) и подаётся в получаемую в смесителе вермикулитобетонную смесь. Этот способ является практически единственным при получении поризованных смесей в роторных мешалках, например широко используемых РМ-750, где ротор находится в цилиндрической части на значительной высоте от дна мешалки  –  выше ее конусной части. В рассматриваемом нами варианте в смеситель сначала заливается необходимое для приготовления замеса количество воды, затем добавляется раствор пенообразователя и осуществляется за счет вращения ротора взбивание пены, далее в смеситель подается цемент (при необходимости тонкомолотые минеральные добавки) и в последнюю очередь - вермикулит, что предохраняет его от интенсивного разрушения. Следует отметить, что при наличии высокостойкой пены не происходит оседания на дно мешалки цемента, как наиболее тяжелой составляющей смеси, и он равномерно распределяется в пеномассе.

На рис. 12 приведены зависимости плотностей вермикулитопенобетонной смеси (подвижность 12-14 см), вермикулитопенобетона и прочности при сжатии от расхода цемента. При расходе основных компонентов на 1м3 бетона в пределах 140-180 кг возможно получение вермикулитопенобетона с заданными свойствами: плотностью 330-390 кг/м3 и пределом прочности при сжатии 0.2-0.4 МПа. Коэффициент теплопроводности при этих плотностях составляет 0.1-0.115 Вт/(м·К). Огневые испытания подтвердили, что бетон относится к группе негорючих материалов.

Рисунок 12  –  Изменение плотности бетонной смеси (1), плотности бетона (2) и прочности его при сжатии (3) в зависимости от расхода цемента. Соотношение цемент : вермикулит – 1:1 по массе. Концентрация ПО-6 – 3%, количество КМЦ – 2%

       

Рисунок 13 – Конструкция покрытия: 1 – профилированный настил, 2 – пароизоляция из слоя армогидробутила, 3 – утеплитель из вермикулитопенобетона, 4 – стяжка из цементно-песчаного раствора, 5 – гидроизоляционный ковер из двух слоев армогидробутила

На рис. 13 представлена конструкция кровельного покрытия с теплоизоляционным слоем из вермикулитопенобетона, опытно-промышленная проверка устройства которого осуществлялась на одном  из  крупных  энергетических  объектов Мурманской области. Объект относится к помещениям с избыточным тепловыделением и «сухим» влажностным режимом (влажность внутреннего воздуха в среднем 30%). Теплотехническим расчетом кровельного покрытия, выполненного  совместно с отделом покрытий и кровель ЦНИИПромзданий с учетом требований СНиП II-3-79**, было установлено, что при плотностях вермикулитопенобетонного утеплителя 300, 350 и 400 кг/м3 его толщина должна составлять 7, 7.5 и 8 см.

Схема получения вермикулитопенобетонных плит приведена на рис. 14. Средний расход материалов для приготов­ления 1 м3 смеси требуемого качества, исходя из результатов экспериментальных работ, составлял по массе 1:1:0.02:0.08:2.3 (цемент : вермикулит : ПО-6 : 10%-й раствор КМЦ : вода). Отдозированные на замес вода, пенообразователь и КМЦ (заранее готовился 10%-й раствор) подавались в  скоростную

мешалку РМ-750, где за счет вращения ротора в течение 4-5 мин. взбивалась пена. Затем в мешалку последовательно и равномерно вводились цемент и вермикулит в течение 2-3 мин. каждый. Приготовленная смесь (подвижность по конусу ПГР 12-14 см)

Рисунок 14 – Технологическая схема получения вермикулитопенобетонных плит

через патрубок в днище мешалки подавалась в металлическую разъемную форму-кассету размером ячейки 50х50х7.5 см (объем 18.75 л), рассчитанную на получение 16 плит из одного замеса. Предварительная выдержка плит составляла 3-4 ч, после чего изделия подвергались тепловлажностной обработке по режиму: 3-4 ч – подъем температуры до 85-90°С, 6-7 ч – изотермическая выдержка; после отключения подачи пара – остывание плит в форме до температуры 30-35°С, распалубка. Затем плиты торцом устанавливались на стеллажи, где подвергались сушке до постоянной массы с помощью агрегата АО-6.3. Средняя плотность высушенных плит 340 кг/м3, прочность при сжатии 0.3 МПа.

Опытная партия плит в количестве 80 шт. использована в качестве теплоизоляционного слоя кровельного покрытия, конструкция которого приведена на рис. 13. Перед укладкой плит на поверхность пароизоляции наносился тонкий выравнивающий слой вермикулитсодержащего раствора (аналогичного состава, использованного для получения плит), с помощью которого осуществлялась заделка швов между плитами. Поверх плит наносился слой выравнивающей стяжки из цементно-песчаного раствора М50 толщиной 5-10 мм. После затвердевания на поверхность раствора наклеивался кровельный ковер из армогидробутила. Пятнадцатилетний срок эксплуатации опытного участка площадью 20 м2 показал надежность разработанного варианта кровельного покрытия с теплоизоляционным слоем из вермикулитопенобетона.

Жаростойкий конструкционно-теплоизоляционный вермикулитобетон. Основной задачей исследований являлось получение жаростойкого вермикулитсодержащего конструкционно-теплоизоляционного бетона с наименьшей плотностью, обеспечивающего регламентируемый ГОСТом 20910-90 предел прочности при сжатии не менее 1.5 МПа и максимально возможную температуру применения. Для получения жаростойкого бетона использовался вермикулит ОАО «Ковдорслюда» фракции менее 4 мм средней насыпной плотностью 150 кг/м3 и коэффициентом теплопроводности 0.063 Вт/(м·К). В качестве вяжущего применяли портландцемент М300 Пикалевского завода. Тонкомолотой добавкой, которую вводят в жаростойкие бетоны на портландцементе для связывания СаОсв при нагревании, являлась золошлаковая смесь (ЗШС) Апатитской ТЭЦ. По химическому составу ЗШС относятся к кислым золам (модуль основности менее 0.1), имеют среднюю насыпную плотность 1030 кг/м3, удельную поверхность 258 м2/кг, содержание частиц золы и шлака размером менее 0.315 мм более 85%.

Как следует из рис. 15, с увеличением доли ЗШС (от 10 до 30% по массе) в золоцементном вяжущем и повышением температуры обжига содержание СаОсв снижается. Наиболее активно СаОсв связывается в области высоких температур, достигая максимума при 1000С. Рентгенометрические исследования подтвердили, что при использовании смешанного вяжущего содержание СаОсв уменьшается. Результаты испытаний золоцементного вяжущего с различным содержанием ЗШС на высокотемпературном микроскопе МНО-2 показали, что форма образцов без оплавления углов сохраняется до 1200С.

Рисунок 15 – Зависимость содержания оксида кальция от температуры нагрева при различном содержании ЗШС в золоцементном вяжущем, мас.%: 1 – 10; 2 – 20; 3 – 30

При плотности вермикулитозолобетона 600 кг/м3 (в сухом состоянии) обеспечивается требуемый для класса В1 предел прочности при сжатии – 1.66 МПа. Остаточная прочность после нагрева соответствует требованиям стандарта для данного вида бетона на портландцементе, т.е. более 30%, а показатель термостойкости – 60 воздушных теплосмен – значительно превышает регламентируемую марку Т225. Деформация под нагрузкой после нагрева при 1000С составила 3.6%; 4%-й деформации соответствует температура 1010С. Таким образом, разработан жаростойкий конструкционно-теплоизоляционный вермикулитозолобетон, обеспечивающий класс И10 по предельно допустимой температуре применения.

Вермикулит как минерал слоистого строения анизотропен и имеет высокую отражательную способность от поверхности зёрен, что сказывается на характере теплопередачи вермикулитсодержащего материала. Исследования теплопроводности вермикулитобетона различной плотности показали, что использование вермикулита по сравнению с другими высокопористыми материалами, не содержащими заполнителей слоистого строения, способствует снижению коэффициента теплопроводности бетона.

На рис. 16 приведены расчетная (сплошная) линия и экспериментальная (пунктирная) линия, соответствующая вермикулитобетону (с хаотическим расположением вермикулитового заполнителя) с плотностью в диапазоне 540-660 кг/м3.  Эксперимен-

Рисунок 16 – График соответствия экспериментальной и расчетной теплопроводности вермикулитобетона различной плотности, кг/м3: 1 – 540; 2 -550; 3 – 608; 4 – 650; 5 - 660

тальные значения коэффициента теплопроводности вермикулитобетона оказались меньше расчетных, их разница составляет в среднем 0.007 Вт/(м⋅К), т.е. λ снижается на 5.3%. Таким образом, в связи с дополнительным сопротивлением теплопередаче вследствие слоистого строения вермикулита, уточненная формула для определения коэффициента теплопроводности вермикулитобетона может быть представлена в следующем виде:

λ= 0.95(0.032+0.12+0.112),

где – плотность вермикулитобетона, г/см3.

Достаточно высокая предельно допустимая температура применения жаростойкого вермикулитозолобетона (класс И10) открывает широкие возможности использования изделий из таких бетонов для высокотемпературной изоляции различных тепловых агрегатов: печей, миксеров, котельного оборудования, алюминиевых электролизеров и т.д. Расчеты, выполненные в Институте экономических проблем КНЦ РАН (научный сотрудник С.В.Бритвина), показали, что применение мелкоразмерных блоков из жаростойкого вермикулитозолобетона для футеровки ванн электролизеров экономически выгодно, особенно для алюминиевых заводов Северо-Запада России, по сравнению с шамотным огнеупорным кирпичом (поставка из Боровичей) и вариантом изоляции керамовермикулитовыми изделиями марок КВИ-500 и КВИ-600 по ТУ 21-129-88, выпускаемых научно-проектно-производственным предприятием «Техносервисвермикулит» (поставка из Уфы) и рекомендуемых для изоляции ванн электролизеров. Так,  рассчитанный экономический эффект для Кандалакшского алюминиевого завода от замены применяемого для футеровки катодного кожуха электролизеров шамотного кирпича на вермикулитозолобетонные блоки составляет около 110 млн руб. (в ценах 1996 г.).

Выполнен расчет толщины изоляционного слоя из жаростойкого вермикулитозолобетона оптимального состава с плотностью 600 кг/м3 класса И10. Для варианта, когда температура на наружной поверхности изоляционного слоя 45 и 60С, толщина слоя вермикулитозолобетона составляет 0.57 и 0.30 м соответственно.

Проведена экспериментальная проверка динамики изменения температуры вермикулитозолобетона при различной толщине изоляции (от 0.05 до 0.35 м) при температуре на горячей стороне изоляции 1000С (рис. 17). При толщине изоляции 0.35 м не позднее чем через 2.5 ч достигается полная стабилизация теплопереноса и температура на наружной стороне изоляции составляет 52С. Этот результат согласуется с расчетными данными.

Рисунок 17 – Изменение температуры на  наружной поверхности изоляции в зависимости от времени испытания и толщины вермикулитозолобетона, м: 1 – 0.05; 2 – 0.15; 3 – 0.25; 4 – 0.35

Если принять, что на наружной поверхности максимальная температура 52С, то расчетная толщина изоляционного слоя должна составить 0.40 м, что более чем на 12% превышает фактически полученный результат. Этот пример также подтверждает, что слоистое строение вермикулита обеспечивает более высокие теплозащитные свойства изоляции.

Разработаны вермикулитсодержащие смеси для теплоизоляции нагревательного оборудования, обладающие необходимыми формовочными свойствами при нанесении на вертикальные поверхности, а также физико-механическими и теплотехническими характеристиками. Этими смесями изолировано около 1200 м2 поверхности 5 промышленных водогрейных котлов ПТВМ-30М и КВТ-50, эксплуатирующихся в системе ОАО «Апатит». Более чем 7-летний срок службы котлов свидетельствует о надежности такого вида мастичной вермикулитсодержащей изоляции, что позволяет отказаться от использования традиционно применяемых для этих целей асбестсодержащих смесей типа асбозурита и улучшить технико-экономические показатели при ремонтно-восстановительных работах котельного оборудования.

Огнезащитные вермикулитсодержащие материалы для заделки кабельных проходок через строительные конструкции. Одна из распространенных причин пожаров - возгорание электрических кабелей, по которым пламя может быстро распространиться из одного помещения в другие, что приводит ко многим человеческим жертвам и огромным материальным потерям.

В настоящей работе предлагается к рассмотрению устройство для получения противопожарных материалов и изделий требуемого качества для заделки проходок электрических кабелей (в виде специальных секционированных подушек, а также монолитной изоляции или формованными изделиями из огнезащитных смесей) на основе вермикулита Ковдорского месторождения. При разработке подушек ставилась цель получить материал многофункционального действия, наиболее соответствующий требованиям пожарной безопасности при устройстве заделок кабельных проходок, в том числе обеспечивающих: самоуплотнение при пожаре, достаточно высокий предел огнестойкости (не менее 1.5 ч), отвод тепла от кабеля в месте его заделки за счет использования плотных заполнителей, исключения из числа компонентов органических связующих и дополнительной обработки поверхности огнезащитными составами.

Применение для заполнения подушек только теплоизоляционных и самоуплотняющихся материалов, по нашему мнению, является недостаточным. Наибольшую огнезащитную эффективность должны иметь такие заполнители, которые не только обладали бы теплоизоляционными свойствами и самоуплотнялись при пожаре в месте заделки, но и имели высокую теплопроводность, обеспечивая отвод тепла от токоведущих частей кабеля, т.е. обладали теплофизической анизотропией.

В качестве основных заполнителей подушек использовались вермикулитсодержащие продукты размерами до 10 мм: вермикулитовый концентрат и вермикулит вспученный насыпной плотностью 910 и 150 кг/м3 соответственно, а также карбонатсодержащий компонент в виде доломитового песка насыпной плотностью 1700 кг/м3 - отсев при переработке на щебень доломита Титанского месторождения (Мурманская область). Благодаря высокой плотности доломита обеспечивается постоянный отвод тепла от кабеля в месте его заделки; кроме того, в случае возникновения пожара доломит, разлагаясь, будет выделять не поддерживающий горения диоксид углерода. Для наружного чехла использовали материалы, выдерживающие высокие температуры без нарушения целостности, что позволяет обойтись без применения органических связующих, предотвращающих высыпание зернистых заполнителей в случае традиционно использующейся для наружного чехла стеклоткани, разрушающейся в условиях стандартного температурного режима пожара. В этих целях для наружного чехла применялась кремнеземная ткань типа КТ.

Для обеспечения теплофизической анизотропии осуществляли секционирование подушек по длине с заполнением секций материалами с различными плотностями. Некоторые примеры осуществления заделки с применением исследуемых заполнителей и состояние заделки после огневого воздействия представлены в табл. 2 и 3.  Для сравнения приведены результаты испытаний используемого для получения подушек базальтового супертонкого волокна (БСТВ) и многокомпонентной смеси для подушек производства Германии (КBS).

Как видно из табл. 3, высокая огнестойкость заделочного материала обеспечивается смесью вермикулитового концентрата (ВК) и доломита: поврежденная часть кабеля (К 23-87 НГ-10х2) после 1.5-часового испытания на огнестойкость не превысила 50% его первоначальной длины. Температура на «холодном» конце кабеля после огневого воздействия при использовании для заделки теплоизоляционных материалов БСТВ, KBS и вспученного вермикулита является по сравнению с другими составами наибольшей: 200, 178 и 160С соответственно (как и длина обгоревшей части кабеля - 300-350 мм). Целесообразно использовать для крайних секций смесь ВК (20-85 мас.%) и доломита (80-15 мас.%). Содержание ВК менее 20% не обеспечивает требуемого самоуплотнения заделки. Введение в смесь ВК в количестве более 85% нецелесообразно ввиду чрезмерно высокой степени вспучиваемости заполнителя.

В ФГУ ВНИИПО проведены стендовые испытания на огнестойкость нескольких опытных партий секционированных вермикулитсодержащих подушек размером 350х160х25 мм. В результате испытаний кабельных проходок установлено, что заделки с использованием этих подушек обеспечивают предел огнестойкости 1.5 ч (без дополнительного нанесения огнезащитных составов на поверхность материала со стороны огневого  воздействия). Положительные  результаты  испытаний  позволили  выпустить ТУ 5765-001-04694169-94 «Подушки огнезащитные вермикулитсодержащие марки ПОВ-4», в соответствии с которыми подушки могут быть рекомендованы для заделки проходов кабелей в различных конструкциях и устройства огнепреградительных поясов с пределом огнестойкости 1.5 ч.

Таблица 2 – Заполнители подушек и их состояние после огневого воздействия

Состав

Крайние секции

Центральная секция

Состояние заполнителя

в крайней секции

компоненты

содержание, мас.%

компоненты

содержание, мас.%

глубина

спека, мм

коэффициент

вспучивания

1

БСТВ

100

БСТВ

100

2

0.8

2

KBS

100

KBS

100

0

0.6

3

ВВ

100

ВВ

100

0

1.0

4

ВК

100

ВВ

100

0

4.8

5

ВК

100

Д

100

0

4.8

6

ВК

100

ВК

100

0

4.8

7

ВК:Д

85:15

Д

100

0

3.6

8

ВК:Д

55:45

Д

100

0

3.0

9

ВК:Д

40:60

Д

100

0

2.2

10

ВК:Д

25:75

Д

100

0

1.7

11

ВК:Д

20:80

Д

100

0

1.5

Примечание.  БСТВ – базальтовое супертонкое волокно, KBS – многокомпонентная смесь (произв. Германии), ВВ – вермикулит вспученный, ВК – вермикулитовый концентрат, Д – доломитовый песок.

Таблица 3 – Состояние кабеля в месте заделки после огневого воздействия

Состав

Температура

на «холодном» конце

кабеля, оС

Длина, мм

обгоревшая часть

поврежденная  часть

неповрежденная часть

1

200

350

-

-

2

178

350

-

-

3

160

300

50

-

4

116

180

140

30

5

100

110

120

120

6

92

105

100

145

7

64

95

80

175

8

54

85

90

175

9

57

60

95

195

10

64

90

85

175

11

72

75

100

175

Получен патент РФ №2037022 на устройство, которое включает гибкую наружную оболочку, выполненную из кремнеземной ткани, и заполнитель, распределенный во внутренние гибкие, водонепроницаемые, изолированные одна от  другой в направлении одной из  горизонтальных осей  оболочки секции  (рис. 18), причем наружная (со  стороны  возможного пожара) секция  I  заполнена  вспучивающимся  под

Рисунок 18 – Схема заделки кабельной проходки вермикулитсодержащими подушками: I – наружная секция; II – внутренняя секция; 1 – кабель; 2 – двухсекционная подушка; 3 – трехсекционная подушка; 4 – стена

действием температуры и самоуплотняющимся в месте заделки при пожаре материалом, а другая – внутренняя секция II – негорючим веществом, обладающим высокой теплопроводностью для постоянного отвода тепла от кабеля в месте заделки в период эксплуатации кабельной проходки.

Поскольку, как было отмечено выше, полученный на основе вспученного вермикулита, портландцемента и тугоплавкой минеральной добавки (например, золоотходов) конструкционно-теплоизоляционный бетон соответствует требованиям стандарта на бетоны жаростойкие и обеспечивает класс И10 по предельно допустимой температуре применения, то такой бетон, выдерживая стандартный температурный режим пожара, пригоден для заделки кабельных проходок: в виде монолитной изоляции при устройстве временной опалубки или предварительно изготовленных вермикулитобетонных изделий с каналами для прокладки кабелей различного диаметра.

       При разработке составов огнезащитного вермикулитобетона для заделки кабельных проходок, наряду с обеспечением требуемого предела огнестойкости, существенным является учет фактора обеспечения режима работы силового кабеля, перегрев которого в нормальных условиях эксплуатации не допускается. В соответствии с требованиями ГОСТ Р 5037.1-93 при длительном пропускании тока в установленном режиме температура токопроводящей жилы кабеля не должна превышать 65С.

Основное внимание при решении этой задачи было уделено влиянию плотности материала, применяемого для заделки, на режим работы силового кабеля. Исследованиям подвергались образцы-блочки теплоизоляционно-конструкционного вермикулитозолобетона плотностью в диапазоне 460-840 кг/м3, составы которых приведены в табл. 4. Зависимость температуры на токопроводящей жиле кабеля от плотности вермикулитозолобетона приведена на рис. 19.

Таблица 4 – Составы и основные свойства огнезащитного вермикулитобетона

Фактический расход материалов на 1 м3 бетона

Свойства бетона

Температура на жиле в заделке, С

цемент, кг

вермикулит вспученный, кг/л

микронаполнитель

(ЗШС), кг

вода,

л

плотность в сухом состоянии, кг/м3

прочность

при сжатии,

МПа

215

176/1177

64

544

460

0.7

70

414

155/1033

124

486

670

2.5

66

477

142/947

143

458

725

3.2

65

544

163/1087

191

423

840

4.1

57





Рисунок 19 – Влияние плотности вермикулитозолобетона на температуру жилы кабеля









Рисунок 20 – Изменение температуры на «холодном» конце кабеля в зависимости от продолжительности огневого воздействия на заделку





Из данных табл. 4 и рис. 19 следует, что температура на токоведущей жиле кабеля существенно зависит от плотности бетона, уменьшаясь по мере ее повышения. Вермикулитозолобетон в качестве огнезащитного заделочного материала для кабельных проходок может быть рекомендован с плотностью не ниже 725 кг/м3, исходя из максимально допустимой температуры на токоведущей жиле кабеля. Для оценки предела огнестойкости из вермикулитозолобетона вышеуказанного состава с плотностью 725 кг/м3 (рис. 20) были изготовлены образцы размером 300х170х90 мм, состоящие из двух одинаковых частей, образующих при соединении внутренний продольный канал диаметром 20 мм, куда помещался отрезок кабеля типа К-09-1989-НГ длиной 400 мм и диаметром 16 мм. Кабель замоноличивался в канале с помощью вермикулитсодержащего раствора аналогичного состава, использовавшегося для получения образцов. После 3-суточного твердения раствора в условиях помещения образцы высушивались до постоянной массы и оценивался предел огнестойкости  (в пределах 3 ч) на модельной установке, имитирующей стендовые огневые испытания в ФГУ ВНИИПО. Как видно из рис. 20, заделка из вермикулитозолобетона обладает высоким пределом огнестойкости: через 3 ч испытаний температура на «холодном» конце кабеля не превысила 80С.

Способ получения вермикулита с пониженной температурой вспучивания. Для производства ряда специальных материалов необходимо, чтобы для их самоуплотнения при тепловом воздействии природный вермикулит многократно вспучивался при сравнительно невысокой температуре – ниже 400С (в отличие от традиционно принятого в промышленности способа обжига при 700-800С). Для решения задачи получения пористого заполнителя при пониженной температуре вспучивания в интервале 300-400С предложен способ предварительной обработки вермикулитового концентрата раствором нитрата аммония, разлагающегося при температуре до 300С с выделением газообразных продуктов. Испытаниям подвергался вермикулитовый концентрат ОАО «Ковдорслюда» рабочей фракции 0.14-1.25 мм, обработанный раствором NH4NО3 различной концентрации, при различной продолжительности насыщения.

Рисунок 21 – Зависимость Квсп модифицированного вермикулита от температуры обжига

Рисунок 22 – Термограммы исходного вермикулита (1) и вермикулита, обработанного раствором NH4NO3 (2)

Показано, что оптимальная концентрация раствора NH4NО3 для насыщения ВК и получения пористого заполнителя с максимальным коэффициентом вспучивания при температуре обжига 300-400С находится в пределах 35-50%; при этом Квсп составляет 3-3.5 (рис. 21). Установлено, что продолжительность насыщения раствором NH4NО3 для получения вермикулита с Квсп=3 достаточно ограничить 0.5 ч.

На рис. 22 представлены термограммы вермикулита: в исходном виде и обработанного раствором NH4NO3 50%-й концентрации.

Как видно из термограмм, за счет модификации вермикулитового концентрата раствором NH4NO3 первый эндоэффект сдвигается в область более низких температур (130С), а второй захватывает значительно большую область 220-385С, что обусловливается процессами плавления соли, ее разложения и взаимодействия с вермикулитом.

Основные  выводы

       1. Установлена возможность использования в строительстве нетрадиционного сырья – вскрышных скальных пород хибинских месторождений апатитонефелиновых руд. Изучены основные разновидности вскрышных пород: уртиты и рисчорриты, и показана целесообразность их применения для получения высококачественного щебня; марки по прочности, износу и морозостойкости: Др 1200-1400, ИI-ИII, F150 соответственно.

       2. Исследован процесс структурообразования бетона и взаимодействия главных породообразующих минералов вскрышных пород: нефелина, полевого шпата, эгирина и сфена – с цементом. Показано упрочнение контактной зоны «нефелинсодержащий заполнитель – цементный камень» и повышение микротвердости в этой зоне по сравнению с цементной матрицей на 20-30%, что обусловлено образованием гидрогранатов как одной из новообразованных фаз при взаимодействии нефелина с продуктами твердения цемента.

       3. Разработаны составы тяжелого бетона на основе щебня из нефелинсодержащих пород в пределах класса В30. Показано, что по деформационно-прочностным свойствам эти бетоны не уступают бетону на стандартном гранитном щебне. Установлено, что в системе «нефелинсодержащий заполнитель – цементный камень» при взаимодействии нефелина с продуктами гидратации цемента обеспечиваются условия, способствующие пассивации стальной арматуры. Результаты электрохимических испытаний бетонов свидетельствуют о коррозионной стойкости в них арматуры.

       4. Установлена стойкость бетона на нефелинсодержащих заполнителях при эксплуатации в различных средах, характерных для подземных выработок рудников ОАО «Апатит»: воздушно-сухих, воздушно-влажных, попеременного водонасыщения – высыхания, в водных средах с рН от 5.5 до 10.

       5. Показано, что уртит и рисчоррит могут быть использованы в виде фракционированного щебня и щебеночно-песчаных смесей для устройства оснований дорожных одежд на дорогах всех технических категорий во всех дорожно-климатических зонах, а также для покрытий без применения вяжущих для дорог IV и V категорий.

       6. Установлена возможность получения на основе нефелинсодержащих заполнителей горячих и теплых асфальтобетонных смесей, обеспечивающих высокую износостойкость и долговечность покрытия. Щебень из уртита и рисчоррита может применяться для изготовления дорожного монолитного бетона классов по прочности на растяжение при изгибе ВВtВ 2.4-4.8 и сборных дорожных плит из бетона классов ВВtВ 3.6-4.0.

       7. Исследованы вспучивающиеся серицит-альбит-хлорит-кварцевые сланцы месторождения Вуручуайвенч и проявлений на полуостровах Средний и Рыбачий, включая наиболее крупное по прогнозным ресурсам – Цыпнаволок. Показаны механизм вспучивания сланцев, влияние их минерального состава и газовой фазы, установленный объем которой составляет около 10 дм3 на 1 кг породы, на формирование пористого заполнителя с заданными свойствами.

8. Выявлены технологические параметры получения пористого заполнителя требуемого качества, обеспечивающие средний коэффициент вспучивания сланцев в пределах 3.5-4. Изучено влияние температуры их обжига на изменение структуры, пористости и распределение пор по размерам. Отработана технология получения пористого заполнителя из местных сланцев в АООТ «Шунгизит» (г.Мурманск) с выпуском опытно-промышленной партии. Показано, что пористый заполнитель на основе местных сланцев по своим свойствам не уступает традиционному шунгизиту из карельского сырья.        

9.  Разработаны составы и изучены свойства легкого бетона марок 50-150 на основе вспученных сланцев. Установлено, что контактная зона «пористый заполнитель – цементный камень» характеризуется увеличением микротвердости в среднем на 20% и аналогичным снижением содержания СаОсв по сравнению с цементной матрицей.

       10. Разработан композиционный пенообразователь для производства легкобетонных смесей на основе вермикулита Ковдорского месторождения для получения негорючего теплоизоляционного материала для кровельных покрытий. Одностадийным способом получены поризованные высокоустойчивой пеной вермикулитобетонные смеси для изготовления плитного утеплителя с заданной средней плотностью 340 кг/м3 и прочностью при сжатии 0.3 МПа.

       11. Получен жаростойкий конструкционно-теплоизоляционный вермикулитозолобетон, относящийся по предельно допустимой температуре применения к классу И10. Установлено снижение теплопроводности вермикулитсодержащего бетона по сравнению с другими равноплотными бетонами, не содержащими заполнителей слоистого строения, и уточнена формула определения коэффициента теплопроводности вермикулитобетона, учитывающая влияние слоистой структуры вермикулита на процесс тепломассопереноса.

12. Разработаны вермикулитсодержащие смеси для теплоизоляции нагревательного оборудования, обладающие необходимыми формовочными свойствами при нанесении на вертикальные поверхности, а также обеспечивающие физико-механические и теплофизические показатели изоляции. Технология апробирована в ОАО «Апатит» при устройстве мастичной теплоизоляции промышленных водогрейных котлов.

       13. Реализован принцип теплофизической анизотропии применительно к решению проблемы повышения пожарной безопасности заделок проходов электрических кабелей через строительные конструкции вермикулитсодержащими материалами. Разработан секционированный гибкий материал с заполнителями разной теплопроводности, превосходящий по комплексу свойств мировые аналоги, обеспечивая при этом самоуплотнение заделки при пожаре и постоянный отвод тепла от силового кабеля при его эксплуатации, экологическую безопасность, и предназначенный для заделки с 1.5-часовым пределом огнестойкости. Установлено влияние плотности конструкционно-теплоизоляционного вермикулитобетона в заделке на режим работы электрических кабелей для предотвращения их перегрева при нормальных условиях эксплуатации и показано, что заделка проходки  из такого бетона обеспечивает не менее чем 3-часовой предел огнестойкости.

14. Предложен способ получения вермикулита с коэффициентом вспучивания 3-3.5 при пониженной температуре его обжига (300-400С) за счет предварительной обработки раствором нитрата аммония.

       15. Разработаны технические условия, устанавливающие возможность использования вскрышных скальных пород хибинских месторождений апатитонефелиновых руд в строительстве (плотные заполнители и тяжелые бетоны на их основе, дорожное строительство), сланцев Кольского полуострова для получения пористых заполнителей и легких бетонов на их основе, ковдорского вермикулита для огнезащитных материалов при заделке кабельных проходок через строительные конструкции и модифицированного концентрата для получения пористого заполнителя при пониженной температуре вспучивания.

       16. Установлена экономическая целесообразность использования исследованных видов минерального сырья Кольского полуострова и строительных материалов на их основе; ежегодный ожидаемый экономический эффект от реализации выполненных разработок составляет более 1.5 млрд руб.

Основные публикации по теме диссертации

1. Крашенинников О.Н., Меос М.А. Поризованные легкие бетоны с заполнителем из вспученных хлоритовых сланцев // Строительные и технические материалы из минерального сырья и промышленных отходов. - Л.: Наука, 1980. - С.32-37.

2. А.с. 1189843 СССР. Пенообразователь для поризации бетонной смеси / М.А.Меос, К.В.Зотова, О.Н.Крашенинников. Бюл. №41, 1985.

3. Крашенинников О.Н., Белогурова Т.П., Цветкова Т.В. Влияние минерального состава уртитового заполнителя и условий твердения бетона на формирование контактной зоны // Комплексное использование минерального сырья в строительных и технических материалах. - Апатиты: Изд. КНЦ АН СССР, 1989. - С.22-25.

4. Теплоизоляция покрытий из вермикулитопенобетона / О.Н.Крашенинников, К.В.Зотова, Г.В.Журбенко и др. // Физико-химические основы переработки и применения минерального сырья. - Апатиты: Изд. КНЦ АН СССР, 1990. - С.27-31.

5. Вскрышные нефелинсодержащие породы и их применение / О.Н. Крашенинников, Т.П.Белогурова, А.М.Полякова, С.Г.Фурсов // Автомобильные дороги. - 1990. - №5. - С.16-17.

6. Золошлаковые смеси Кировской ГРЭС – эффективная добавка в бетоны / О.Н.Крашенинников, В.Н.Макаров, Г.В.Журбенко и др. // Бетоны на основе золы и шлака ТЭС и комплексное их использование в строительстве: Сб. докл. Всесоюз. научно-техн. конф. - Новокузнецк: Изд. СМИ, 1990. - Т.1. - С.173-184.

7. О реакционной способности вскрышных пород рудников ПО «Апатит» / Т.П.Белогурова, О.Н.Крашенинников, Г.С.Рояк, Т.Л.Трактирникова // Физико-химические основы переработки и применения минерального сырья. - Апатиты: Изд. КНЦ АН СССР, 1990. - С.32-35.

8. Физико-химические аспекты комплексного использования золошлаковых смесей тепловых электростанций / В.Н.Макаров, А.А.Боброва, О.Н. Крашенинников и др. - Апатиты: Изд. КНЦ АН СССР, 1991. - 115 с.

9. Крашенинников О.Н., Белогурова Т.П., Лалаянц Н.Г. Нефелинсодержащие заполнители и деформационно-прочностные свойства тяжелых бетонов на их основе // Горнопромышленные отходы как сырье для производства строительных материалов. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1992. - С.27-33.

10. Крашенинников О.Н. Вермикулитсодержащие противопожарные материалы для кровельных покрытий и заделки кабельных проходов // Сб. докл. Междунар. семинара по проблемам пожарной безопасности АЭС. - Нетешин: Изд. Интератомэнерго, 1992. - С.1-6.

11. Получение стеновых камней на основе шунгизита и побочных продуктов его производства / О.Н.Крашенинников, М.А.Меос, Г.В.Журбенко и др. // Строительные и технические материалы на основе минерального сырья и горнопромышленных отходов. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1994. - С.22-31.

12. Пат. 2037022 РФ. Устройство для огнезащитной заделки проходов коммуникаций в различных конструкциях / О.Н.Крашенинников, А.Д. Журбенко, С.В.Ходнева и др. Бюл. №16, 1995.

13. Крашенинников О.Н. Вскрышные нефелиновые породы как сырье для получения бетонов // Проблема строительного материаловедения и новые технологии. - Белгород: Изд. БелГТАСМ, 1995. - Ч.2. - С.47-52.

14. Крашенинников О.Н. Нефелиновые породы Хибинского массива и возможности их использования в строительстве. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1995.  -  66 с.

15. *1 Крашенинников О.Н., Степанова В.Ф. Коррозионная стойкость арматуры в бетоне на нефелиновых заполнителях // Бетон и железобетон. - 1995. - №6. - С.16-18.

16. Krasheninnikov O. Advanced fireproof vermiculite – containing materials // Advanced technologies for complete use of the north natural resources. - Apatity: KSC RAS, 1996. - P.81-82.

17. Крашенинников О.Н. К проблеме развития минерально-сырьевой базы стройиндустрии Кольского горно-промышленного комплекса. Ч.5. Проблемы строительного материаловедения и новые технологии // Сб. докл. Междунар. конф. «Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений» (14-е науч. чтения). - Белгород: Изд. БелГТАСМ, 1997. - С.71-75.

18.* Крашенинников О.Н., Пак А.А., Сухорукова Р.Н. Комплексное использование отходов обогащения железорудного сырья // Строительные материалы. - 1997. - №12. - С.28-30.

19. Поризованный вермикулитобетон для огнезащитных кровельных покрытий / О.Н.Крашенинников, Г.В.Журбенко, К.В.Зотова, С.Р.Деркач // Сб. докл. науч.-техн. конф. «Поверхностно-активные вещества в строительстве». - СПб.: Изд. Нео-ТЭКС, 1998. - С.47-52.

20. Крашенинников О.Н., Журбенко Г.В., Вороняева Л.В. Глинистые сланцы Кольского полуострова как сырье для получения пористых заполнителей. - 17 с. - Деп. в ВИНИТИ 29.01.99, №297-В99.

21. Крашенинников О.Н. Декоративные бетоны на основе природнокаменного сырья Кольского полуострова: препр. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1999. - 34 с.

22. Журбенко Г.В., Крашенинников О.Н., Павлова М.А. Изучение процесса газовыделения вспучивающихся хлоритовых сланцев при температурной обработке // Химия, технология и свойства силикатных материалов. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1999. - С.31-37.

23. К проблеме утилизации отходов предприятий Кольского горнопромышленного комплекса в строительной отрасли / О.Н.Крашенинников, А.А.Пак, Г.В.Журбенко и др. // Проблемы комплексной переработки минерального сырья и охраны окружающей среды: докл. Междунар. совещания, Петрозаводск (Плаксинские чтения). - М: Изд. ИПКОН, 1999. - С.201-208.

24. Крашенинников О.Н. Перспективы применения вскрышных пород рудников ОАО «Апатит» в строительстве // Комплексная переработка Хибинских апатитонефелиновых руд. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1999. - С.143-147.

25.* Крашенинников О.Н., Журбенко Г.В., Бастрыгина С.В. Жаростойкий вермикулитозолобетон для футеровки ванн алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. - 2000. - №5. - С.87-88.

26. Пак А.А., Крашенинников О.Н., Сухорукова Р.Н. Газобетон на основе техногенного сырья Кольского горнопромышленного комплекса. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2000. - 84 с.

27. Крашенинников О.Н. Вспучивающиеся сланцы Кольского полуострова – перспективное сырье для получения пористых заполнителей // Материалы Всерос. науч. конф. «Природные ресурсы северных территорий: проблемы оценки, использования и воспроизводства». - Архангельск: Изд. АФ ИЭ УрО РАН, 2002. - С.108-112.

28. Строительные и технические материалы из минерального сырья Кольского полуострова / В.Н.Макаров, О.Н.Крашенинников, Б.И.Гуревич и др. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2003. - Ч.1,2. - 430 с.

29. Минерально-сырьевые ресурсы Кольского полуострова и пути их рационального использования для получения строительных материалов / В.Т.Калинников, В.Н.Макаров, О.Н.Крашенинников, Н.Н.Гришин // Материалы Междунар. научн. конф. «Фундаментальные проблемы комплексного использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных материалов». - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2003. - С.8-10.

30.* Жаростойкие магнезиальные бетоны из сырья Кольского полуострова / О.Н.Крашенинников, Н.Н.Гришин, С.В.Бастрыгина, О.А.Белогурова // Огнеупоры и техническая керамика. - 2004. - №5. - С.2-9.

31. К проблеме утилизации попутных продуктов предприятий Кольского горнопромышленного комплекса в строительной отрасли / О.Н.Крашенинников, А.А.Пак, С.В.Бастрыгина и др. // Сб. научн. статей, посвященных 100-летию со дня рождения П.И.Боженова «Достижения строительного материаловедения». – СПб.: Изд. Ом-Пресс, 2004. - С.63-66.

32.* Белогурова Т.П., Крашенинников О.Н. Утилизация вскрышных пород хибинских апатитонефелиновых месторождений в строительстве // Строительные материалы. - 2004. - №7. - С.32-35.

33.*  Крашенинников О.Н., Белогурова Т.П. Декоративные заполнители из природного каменного сырья Кольского полуострова и бетоны на их основе // Строительные материалы. - 2004. - №10, прил. №3. - С.15-16.

34.* Жаростойкий вермикулитобетон с ориентированным расположением зерен вермикулита / Н.Н.Гришин, А.Д.Журбенко, О.Н.Крашенинников, С.В.Бастрыгина, О.А.Белогурова // Огнеупоры и техническая керамика. - 2005. - №2. - С.36-39.

35. Пат. 2259279 РФ. Способ изготовления строительных изделий / А.А.Пак, Р.Н.Сухорукова, О.Н.Крашенинников. Бюл. №24, 2005.

36. Огнеупоры и жаростойкие бетоны из сырья Кольского полуострова / Н.Н.Гришин, О.Н.Крашенинников, О.А.Белогурова, С.В.Бастрыгина // Формирование основ современной стратегии природопользования в Евро-Арктическом регионе. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2005. - С.206-217.

37. Использование вскрышных пород месторождений Кольского полуострова для получения щебня / О.Н.Крашенинников, Т.П.Белогурова, В.В.Лащук, А.А.Пак // Инновационный потенциал Кольской науки. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2005. - С.219-224.

38. Крашенинников О.Н. Перспективы развития минерально-сырьевой базы Кольского региона для получения бетонов // Материалы Второй Междунар. научн. конф. «Проблемы рационального сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов». - Петрозаводск: Изд. КарНЦ, 2005. - С.103-106.

39.* Крашенинников О.Н. Коррозионная стойкость арматуры в шунгизитозолобетоне // Бетон и железобетон. - 2005. - №6. - С.26-27.

40. Крашенинников О.Н. Бетоны на основе побочных продуктов Кольского горнопромышленного комплекса // Тр. II Всерос. (Междунар.) конф. по бетону и железобетону «Бетон и железобетон – пути развития». - М.: Изд. НИИЖБ, 2005. - Т.5. - С.228-235.

41.* Крашенинников О.Н. Теплоизоляционный вермикулитопенобетон для кровельных покрытий // Строительные материалы. - 2006. - №1. - С.13-16.

42.* Крашенинников О.Н. Вермикулитозолобетон для высокотемпературной теплоизоляции нагревательного оборудования // Новые огнеупоры. - 2006. - №2. - С.15-19.

43.* Крашенинников О.Н. Роль строительной науки в экономическом развитии Кольского региона // Строительные материалы. - 2006. - №2, прил. №6. - С.12-13.

44. Крашенинников О.Н., Бастрыгина С.В., Журбенко А.Д. Способ получения вермикулита с пониженной температурой вспучивания // Вестник Мурманского гос. техн. ун-та. 2006. - Т.9, №2. - С.344-346.

45. Крашенинников О.Н. Минеральное сырье Кольского полуострова и возможности его использования в бетонах // Строительство. - 2006. - №7-8. - С.46-49.

46.* Крашенинников О.Н. Огнезащитные вермикулитсодержащие материалы для заделки кабельных проходок через строительные конструкции // Пожарная безопасность. - 2006. - № 4. - С.95-100.

47.* Крашенинников О.Н. Пористые заполнители из вспучивающихся сланцев Кольского полуострова // Строительные материалы. - 2006. - №6. - С.90-92.

48.* Ганина Л.И., Крашенинников О.Н., Ларичкин Ф.Д. Эффективность использования отходов горнопромышленного комплекса Мурманской области в строительной отрасли // Строительные материалы. - 2006. - №11. - С.47-50.


* Здесь и далее: статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ




© 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.