УДК 001.891.53:532.528.1:62-987/-988:62-978:622.35.095(047.31)
И.Ю. ГЛИНЯНОВА, канд. пед. наук, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности в строительстве и городском хозяйстве,
В.Т. ФОМИЧЁВ, доктор техн. наук, профессор кафедры общей и неорганической химии, Волгоградский государственный технический университет
Ключевые слова: модифицированный известняковый щебень, лигносульфонат технический, сверхкритическая среда, кавитация
Keywords: modified limestone crushed stone, technical lignosulfonate, supercritical fluid, cavitation
Рассматривается способ приготовления известнякового строительного щебня, модифицированного в сверхкритической среде. Приводятся результаты экспериментальных данных по его модификации раствором лигносульфоната технического и испытаний модифицированного щебня на прочность. Определены области применения инновационного продукта.
Щебень как природный материал используется в различных сегментах строительного рынка. Основной контингент покупателей щебня – заводы железобетонных изделий и конструкций, производители товарного бетона, дорожно-строительные компании; организации, обеспечивающие ремонт железнодорожного пути и др. В зависимости от того, какой марки щебень используется в производстве, в большей степени зависит качество дорожного полотна, выпускаемых строительных материалов, надежность изделий и конструкций и др.
В Южном федеральном округе основные карьеры высокосортного щебня, используемого для производства работ в строительной и дорожно-строительной отрасли Волгоградской области, находятся в Ростовской и других областях.
В то же время Волгоградская область обладает мощным потенциалом природного известнякового строительного щебня, который не пользуется достаточным спросом на местном рынке из-за его низкой прочности (М 200-400).
Всего в Волгоградской области 111 месторождений твердых полезных ископаемых [1].
Разнообразию полезных ископаемых Волгоградской области способствует довольно сложное тектоническое строение. Так, в центральной части Волгоградской области расположен Доно-Медведицкий вал, сопряженный с запада с Терсинской депрессией, а с востока – с Приволжской моноклиналью [2]. В своде Доно-Медведицкого вала на поверхность выходят известняки среднего и верхнего карбона, которые разрабатываются в группе арчединских, жирновских и донских карьеров.
Типичные карьеры по добыче каменного сырья находятся в пределах восточной части Доно-Медведицкого вала. К крупнейшим карьерам, образовавшимся в местах добычи карбонатных пород, а именно известняков, относятся Арчединский карьер известкового камня и Ново-Григорьевский карьер, а также карьеры вблизи г. Фролово.
Арчединский карьер известкового камня (АКИК) – одно из наиболее крупных месторождений известняков и доломитов, состоящее из нескольких участков. Само месторождение находится на склоне Арчединской антиклинали Доно-Медведицкого вала, недалеко от хут. Шляховской. В карьере можно выделить три уступа, образовавшихся в ходе разработок. После дробления известняк используется для дорожного покрытия. Всего же в области в 10 карьерах добывается 1,0 млн т известняков ежегодно [1, 3].
Наиболее крупными горными выработками сырья являются Жирновский, Линевский и Синегорский карьеры известняков, кирпичных суглинков и формовочных глин. Линевское месторождение карбонатных пород отличается наибольшим объемом запасов – 130,8 млн м3. Полезная толща представлена известняками касимовского и гжельского ярусов, годовая добыча которых достигает почти 2 млн м3. Из давно освоенных можно выделить Андреевское месторождение с характерными известняками верхнего карбона, относящееся к сводовой части Жирновского тектонического поднятия. Выходы толщ известняков на поверхность прослеживаются на протяжении 7 км с видимой мощностью более 20 м [3].
Из представленного материала следует, что территория Волгоградской области обладает огромными запасами известнякового щебня, который имеет марки 200-400 и не пользуется достаточным спросом на местном рынке ввиду его низких прочностных характеристик и невысокой морозостойкости. Щебень для строительных работ в Волгоградской области в основном привозят из других регионов и используют марки 800-1200.
Поэтому исследование повышения прочности и долговечности известнякового щебня Волгоградской области актуально. Исследование относится к области производства строительных материалов, в частности строительного известнякового щебня для дальнейшего его использования в гражданском и дорожном строительстве.
Известен способ приготовления известнякового строительного щебня, включающий пропитку известнякового щебня в водном растворе лигносульфонатов технических (ЛСТ) при температуре 60°С в соотношении «лигносульфонаты технические – вода» 1:(8-12) и выдержку в течение 12 часов с последующей сушкой при температуре 120-180°С до постоянной массы [4].
Недостатком известного способа является длительное время пропитки (12 ч), значительные энергозатраты (сушка щебня в автоклаве после обработки), снижение прочностных характеристик известнякового щебня с течением времени.
И.Ю. Глиняновой, В.Т. Фомичёвым и др. [4] был разработан способ приготовления известнякового строительного щебня на основе отходов гидролизных производств. Он включал пропитку известнякового щебня в водном растворе лигносульфонатов технических. Недостатками данного способа являются значительные энергозатраты с температурным режимом 120-180°С и непродолжительный эффект долговечности пропитанного щебня.
Задачей заявляемого изобретения является сокращение времени пропитки, энергозатрат, а также повышение прочности и долговечности известнякового строительного щебня.
Способ приготовления модифицированного известнякового строительного щебня осуществляют в четыре стадии. На первом этапе создают в течение 15 минут ультразвуковую кавитацию воды до температуры 40-60°С при частоте 20-40 кГц. На второй стадии в кавитационную горячую воду вводят лигносульфонаты технические порошкообразные в соотношении 1:(0,1-0,4) и диспергируют ультразвуком 20-40 кГц до полного их растворения в течение 10-15 минут. На третьей стадии полученный водный раствор лигносульфонатов технических подвергают гидродинамической кавитации при скорости потока жидкости 12-13 м/с в течение 1-3 минут. На четвертой – в кавитационный водный раствор лигносульфонатов технических погружают малопрочный известняковый щебень и обрабатывают его ультразвуком при частоте 20 кГц в течение 15-30 минут.
Таблица 1
| Показатели, наименование | Требования ГОСТ 8267-93 | Физические показатели |
|
Зерновой состав: Полный остаток на ситах по массе, % Dнм.________ Dнб. ________ 1,25 Dнб. |
от 90 до 100 от 30 до 80 до 10 до 0,5 |
97,6 61,2 9 0 |
|
Содержание зерен пластинчатой и игловатой формы по массе, %, не более Группа по форме зерен: Кубовидная ____ Улучшенная —— Обычная___ |
15 35 25 |
18,6 |
|
Содержание пылевидных, глинистых и илистых частиц по массе, %, не более в том числе: глины в комках |
3 0,25 |
2,0 0,12 |
| Содержание зерен слабых пород по массе, %, не более | 10 | 2,0 |
| Марка по дробимости (прочность) | от 200 до 1400 | 400 |
| Марка по износу в полочном барабане | от И-1 до И-4 | И-3 |
| Марка по морозостойкости | от 15-300 | 25 |
| Объемная насыпная плотность, т/м3 | 1,27 | |
| Удельная эффективная активность естественных радионуклидов, Аэфф. | ГОСТ 30108 | 74,5 |
В качестве исходных компонентов были использованы известняковый щебень фракции 10 Фроловского карьера Волгоградской области с физико-механическими свойствами, приведенными в табл. 1, и водный раствор лигносульфонатов технических (отходы ЦБК) в соотношении «ЛСТ : вода» (0,1-0,4):1.
Испытания инновационного продукта – модифицированного известнякового строительного щебня – проводили в соответствии с ГОСТ 8267-93 по определению его прочности по дробимости или потери массы при испытании щебня (табл. 2).
Таблица 2
| Р-р ЛСТ, % | Марка щебня по дробимости | Потеря массы при испытании щебня, % |
| 0 | 400 | 21 |
| 5 | 600 | 15,56 |
| 7,5 | 800 | 13,2 |
| 10 | 1000 | 12,62 |
| 20 | 1000 | 12,52 |
| 40 | 1000 | 12,59 |
Как видно из табл. 2, высокая марка модифицированного известнякового щебня М-1000 достигается при концентрации растворов ЛСТ, варьирующихся от 10% до 40%.
Как видно из табл. 3, с течением времени после пропитки происходит набор прочности модифицированного известнякового щебня и его стабилизация. Пик набора прочности известнякового щебня М-1000 достигается на 14-й день и остается стабильным и на 21-й день, и на 28-е сутки.
Таблица 3
| Динамика набора прочности модифицированного щебня (10% водного р-ра ЛСТ) по дням | |||||
| 3 дня | 7 дней | 14 дней | 21 день | 28 дней | |
| Марка модифицированного щебня | 600 | 800 | 1000 | 1000 | 1000 |
| Потеря массы при испытании щебня, % | 15,50 | 13,4 | 12,62 | 12,51 | 12,32 |
Таким образом, самая высокая марка модифицированного щебня М-1000 (потеря массы щебня при его испытании – 12,32%) наблюдается у модифицированного известнякового щебня на 28-й день.
В модифицированном известняковом щебне после обработки его раствором ЛСТ в средах ультразвуковой и гидродинамической кавитации снижается количество микропор и микротрещин (табл. 4-5).
Таблица 4
| Фото известнякового щебня на оптическом микроскопе (650 крат) | |
| До эксперимента | После эксперимента |
|
|
Таблица 5
| Морфологические характеристики структуры образцов щебня | |
| До эксперимента | После эксперимента |
|
Микротрещины – многочисленные, по всей поверхности образца, размером от 0,1 до 1,0 мм Раковины имеются, размером от 0,02х0,01 мм до 0,15х0,1 мм Структура образца крупнодисперсная |
Микротрещины отсутствуют (за исключением единичных образований) Раковины (единичные, размеры не превышают 0,04х0,01 мм) Структура образца мелкодисперсная |
Выводы:
Вышеприведенные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о целесообразности использования исследуемого метода для повышения качественных характеристик низкосортного карбонатного щебня.
Библиографический список
1. Доклад о состоянии окружающей природной среды Волгоградской области в 2005 году. – Волгоград: Альянс, 2006, – 287 с.
2. Харланов В.А. Тектоническая карта: Атлас Волгоградской области / В.А. Харланов; ГУГК при кабинете министров Украины. – Киев, 1993. – 40 с.
3. Крупнейшие карьеры Волгоградской области и их геоэкологическое состояние / В.А. Брылев и др. // Известия Волгоградского государственного педагогического университета. – 2007, №6, с. 69-75.
4. Пат. 2408550 РФ, МПК C04B24/18. Способ приготовления известнякового строительного щебня / И.Ю. Глинянова и др.; патентообладатель – Глинянова И.Ю. – №2009135997/03, заяв. 28.09.2009; опубл. 10.01.2011, бюлл. №1.
