автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Гидротермальный синтез цементирующих веществ и технология ячеистобетонных изделий на основе хвостов обогащения железистых кварцитов КМА



ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

ПОТАМОШНЕВА Нина Дмитриевна

ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЙ СИНТЕЗ ЦЕМЕНТИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ И ТЕХНОЛОГИЯ ЯЧЕИСТОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ КМА

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: член-корреспондент РАССН, доктор технических наук, профессор ЧЕРНЫШОВ Е.М.

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических

наук, профессор ПОМАЗКОВ В.В.

Воронеж 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................. 6

1. Использование побочных продуктов обогащения железистых кварцитов в производстве автоклавных материалов и изделий: состояние вопроса, обоснование задач и содержания исследований..........11

1.1. Обзор работ по изучению вяжущего автоклавного твердения

с использованием хвостов обогащения.........................................16

1.2. Обзор работ по изучению условий получения силикатных бетонов плотной и ячеистой структуры для строительных

целей с использованием хвостов обогащения..................................18

1.3. Обоснование задач и содержания исследований..............................28

2. Основные положения методики экспериментальных исследований...........31

2.1 Общие вопросы методологии исследований....................................31

2.2. Общие вопросы методики исследований.......................................32

2.2.1. Характеристика применяемых материалов и условия изготовления образцов......................................................32

2.2.2. Методика оценки состава, структуры и состояния материала...........................................................................35

2.2.3. Методика оценки физико-механических свойств автоклавных материалов........................................................37

3. Структурообразующая роль железорудных минералов в гидротермальном синтезе цементирующих веществ и в формировании

систем твердения.........................................................................38

3.1. Комплексная системная оценка состава и свойств хвостов обогащения железистых кварцитов КМА как кислотного компонента силикатных автоклавных материалов..........................39

3.2. Анализ физико-химических основ формирования цементирующих веществ с участием оксидов железа.......................................57

3.3.Экспериментальное исследование гидротермального синтеза

цементирующих веществ автоклавных материалов в присутствии природных оксидов железа (гематита и магнетита)....................63

3.3.1. Методика исследований....................................................63

3.3.2. Обсуждение экспериментальных данных...............................65

3.4. Исследование технологических режимов формирования систем твердения силикатных автоклавных материалов..............................80

3.4.1. Оптимизация составов вяжущего автоклавного твердения

с использованием тонко дисперсных хвостов обогащения..........81

3.4.2. Исследование влияния температуры и длительности изотермической выдержки на свойства вяжущего автоклавного твердения................................................................94

3.5. Выводы...............................................................................123

4. Разработка и исследование технологии ячеистого бетона с использованием тонкодисперсных хвостов обогащения....................................126

4.1. Исследование и оптимизация рецептурно-технологических условий получения силикатного ячеистого бетона средней плотностью 300-400 и 600-700 кг/м3...........................................126

4.1.1. Анализ статистической модели и оптимизация условий получения силикатного ячеистого бетона средней плотностью 600-700 кг/м3...................................................... 134

4.1.2. Анализ статистической модели и оптимизация условий получения силикатного ячеистого бетона средней плотностью 300-400 кг/м3......................................................140

4.2. Исследование показателей стойкости ячеистых бетонов с использованием тонкодисперсных хвостов обогащения при физико-климатических воздействиях..........................................145

4.2.1. Исследование стойкости ячеистого бетона под действием карбонизации...............................................................147

4.2.2. Исследование показателей стойкости силикатного ячеистого

бетона под действием попеременного увлажнения- высушивания......161

4.2.3. Изучение воздействия попеременного замораживания-

оттаивания на свойства ячеистого бетона............................168

4.3. Выводы................................................................................170

5. Практические результаты работы и их технико-экономическая

оценка......................................................................................173

5.1. Заводские испытания технологии использования хвостов обогащения железистых кварцитов в производстве автоклавного ячеистого бетона............................................................173

5.2. Предложения к «Технологическому регламенту изготовления силикатного ячеистого бетона с использованием тонкодисперсных продуктов обогащения.....................................................186

5.3. Расчет экономического эффекта от применения тонкодисперсных хвостов обогащения железистых кварцитов КМА....................187

5.4. Выводы...............................................................................191

Основные выводы........................................................................194

Список литературы......................................................................200

Приложения: 1. Карта требуемого технического уровня и качества

ячеистого бетона, получаемого при замене тонкомолотого кварцевого песка тонкодисперсными побочными продуктами обогащения железистых кварци-

тов (в условиях Старооскольского завода)...................214

2. Технологический регламент и методика выпуска опытной партии изделий из ячеистого бетона на основе тонкодисперсных побочных продуктов обогащения железных руд КМА (хвостов)...................215

3. Рабочая программа выпуска опытной партии ячеистобетонных изделий на основе тонкодисперсных побочных продуктов обогащения железных

руд КМА (хвостов)................................................221

4. Приказ по Старооскольскому заводу силикатных

стеновых материалов объединения «Белгородстрой-материалы»...........................................................225

5. Акт заводских испытаний технологического процесса и выпуска опытной партии ячеистобетонных изделий основе тонкодисперсных побочных продуктов обогащения (хвостов) железных руд КМА....................227

6. Рекомендации по изготовлению силикатного ячеистого бетона с использованием тонкодисперсных побочных продуктов обогащения железистых кварцитов КМА...................................................238

7. Акт внедрения результатов научных исследований

в учебный процесс.................................................258

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Техногенные продукты, образуемые в различных отраслях промышленности, содержат в своем составе, как правило, полезные вещества и «несут» в себе затраты живого и овеществленного труда. Утилизация этих продуктов способствует экономии материальных, энергетических и трудовых ресурсов, обеспечивает решение экологических проблем.

Крупнейшим «производителем» техногенных продуктов в стране является район Курской Магнитной Аномалии (КМА): на 1 тонну целевого железорудного концентрата приходится в среднем более 4 тонн различных «нецелевых» попутно-добываемых, побочных продуктов и отходов, в их числе и тонкодисперсные хвосты обогащения. Проблема складирования хвостов с каждым годом обостряется, поскольку требуется отвод земель под новые хранилища; велики затраты на уход за «пляжами», намытыми и намываемыми при сбросе пульпы; усугубляется экологическая обстановка в районе КМА.

Главными потенциальными потребителями техногенных продуктов являются промышленность строительных материалов и строительство, которые должны входить в систему взаимосвязанных малоотходных и безотходных производств в составе индустриального комплекса КМА. Реализация такого подхода требует создания научно-обоснованных технологий утилизации техногенных продуктов, что предполагает получение ответов на вопросы об их роли в формировании структуры цементирующих веществ и материалов, о принципах и особенностях технологии переработки техногенных продуктов в соответствующие строительные материалы.

Хвосты обогащения как тонкодисперсные кремнеземсодержащие отходы могут рассматриваться в качестве кислотного компонента силикатных автоклавных материалов, поскольку содержат в своем составе до 60-70 % оксида кремния. Однако одновременное присутствие в их составе оксидов железа (до 20 %) может внести существенные изменения в развитие процессов формиро-

вания систем твердения. Эти изменения могут касаться последовательности и направлений реакций синтеза, необходимого соотношения основного и кислотного компонентов в сырьевых смесях, температурных условий и длительности образования цементирующего вещества и др.

Таким образом, в рамках рассматриваемого подхода актуальной является задача исследования механизма структурообразования и технологических особенностей применения хвостов обогащения в производстве силикатных автоклавных материалов.

С изучением обозначенных актуальных вопросов связаны цель, задачи и содержание исследований.

Целью работы является исследование условий гидротермального синтеза цементирующих веществ при использовании тонкодисперсных побочных продуктов обогащения железистых кварцитов КМА в качестве кислотного компонента сырьевых смесей силикатных автоклавных материалов, разработка технологии получения ячеистобетонных изделий.

Исследования выполнены автором в Проблемной лаборатории силикатных материалов и изделий Воронежской ГАСА по темам важнейших плановых НИР Минобразования РФ.

Научная новизна работы. Рассмотрены физико-химические предпосылки и экспериментально подтверждена возможность участия оксидов железа (гематита и магнетита), характерных для тонкодисперсных побочных продуктов обогащения железистых кварцитов, в гидротермальном синтезе железистых гидрогранатов.

Установлено, что использование хвостов обогащения в качестве кислотного компонента силикатных смесей приводит к формированию гидросиликат-но-железистогидрогранатного по составу цементирующего вещества автоклавных материалов.

С позиций возможной структурообразующей роли дана системная вероятностно-статистическая оценка тонкодисперсных побочных продуктов обо-

гащения железистых кварцитов КМА по их химическому, минералогическому, гранулометрическому составам и другим характеристикам.

Выявлены технологические особенности получения автоклавного материала с использованием тонкодисперсных побочных продуктов обогащения железистых кварцитов. Обоснованы оптимальные решения по составам силикатных смесей и условиям гидротермальной их обработки.

Определены оптимальные технологические параметры получения ячеистого бетона, отвечающего действующим нормативным требованиям.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно обоснованных методик комплексных количественных исследований состава, структуры и свойств цементирующих веществ бетона плотной и ячеистой структуры, применением методов планирования экспериментов и оптимизации, вероятностно-статистических методов обработки полученных результатов.

Практическое значение работы. Обоснованы практические приемы утилизации хвостов обогащения в технологии автоклавных материалов; разработаны составы и предложены режимы гидротермальной обработки силикатных смесей с использованием побочных продуктов обогащения железистых кварцитов КМА различной дисперсности; разработаны положения по технологии силикатного ячеистого бетона.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований прошли промышленную проверку в условиях Старо-Оскольского завода силикатных стеновых материалов при выпуске крупной опытной партии изделий. Возможность и эффективность использования тонкодисперсных побочных продуктов обогащения показана при получении ячеистобетонных изделий средней плотностью 400-700 кг/м - теплоизоляционных блоков, мелких стеновых блоков и стеновых панелей.

Практические предложения по результатам исследований включены в СН 277 «Инструкцию по технологии изготовления ячеистых бетонов» и в раз-

работанные «Рекомендации по изготовлению силикатного ячеистого бетона с использованием тонкодисперсных побочных продуктов (хвостов) обогащения железистых кварцитов КМА».

Результаты исследований используются в учебном процессе по специальности ПСК 2906 - «Производство строительных изделий, материалов и конструкций» при постановке лабораторного практикума, курсового и дипломного проектирования.

Расчетная экономическая эффективность использования тонкодисперсных побочных продуктов обогащения железистых кварцитов в производстве вяжущего ячеистых бетонов на его основе определяется снижением затрат на добычу, транспортирование кремнеземистого компонента и его подготовку к использованию в технологическом процессе и составляет (в действующих ценах) 5,8-6,0 р/м бетона по сравнению с бетоном на кварцевом песке.

Автор защищает:

- научное обоснование и экспериментальное исследование гидротермального синтеза цементирующих веществ в системах, содержащих характерные для кварцитов КМА оксиды железа - гематит и магнетит;

- результаты оптимизации технологических условий получения автоклавного материала с использованием тонкодисперсных побочных продуктов обогащения железистых кварцитов в качестве кислотного компонента силикатных смесей;

- разработки по оптимизации технологических параметров получения силикатного ячеистого бетона из смесей с использованием тонкодисперсных побочных продуктов обогащения железистых кварцитов;

- данные заводской проверки разработок по технологическому процессу получения ячеистобетонных изделий;

- предложения по внедрению и результаты внедрения разработок по технологии получения ячеистобетонных изделий.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на III, VI Республиканских конференциях по долговечности конструкций из автоклавных бетонов (г. Таллинн, 1978, 1987 гг.), IV Всесоюзном совещании по гидратации и твердению вяжущих (г.Львов, 1981 г.); совещании по повышению эффективности производства и применение индустриальных изделий из ячеистого бетона в народном хозяйстве (г.Киев, 1980 г.); научно-практической конференции по комплексному использованию вторичных ресурсов, внедрению малоотходных, безотходных технологий (г.Воронеж, 1984 г.); научно-технической конференции по использованию вторичных ресурсов и местных строительных материалов на предприятиях стройиндустрии (г.Челябинск, 1987 г.); I Всесоюзном семинаре по гидросиликатам кальция и их применению (г.Каунас, 1990 г.); V, VI и XI научных чтениях в Белгороде (1978, 1980 и 1991 гг.); Международной конференции по ресурсосберегающим технологиям строительных материалов, изделий и конструкций (г. Белгород,1993 г.); Международной конференции по ресурсо- и энергосберегающим технологиям строительных материалов и конструкций (г. Белгород, 1995 г.); 2-ой Международной конференции по высоким технологиям в экологии (Воронеж, 1999 г.), научно-технических конференциях Воронежской государственной архитектурно-строительной академии (1978-1999 гг.),

Автор искренне признателен ныне покойному Заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, доктору технических наук, профессору Помазкову Василию Васильевичу за большую научно-методическую помощь в постановке и проведении исследований по проблеме использования тонкодисперсных побочных продуктов обогащения железистых кварцитов КМА в технологии силикатных автоклавных материалов.

1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ ОБОГАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ АВТОКЛАВНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОБОСНОВАНИЕ ЗАДАЧ И СОДЕРЖАНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Промышленность района КМА является одним из крупнейших «производителей» побочных продуктов. Процессы получения железорудного концентрата связаны с извлечением вскрышных пород, залегающих над толщей рудного тела, попутных материалов, присутствующих в рудном теле в виде секущих полос и линз включений, и побочных продуктов добычи (например, некондиционных железистых кварцитов), образованием отходов обогащения руд в виде так называемых хвостов. На тонну получаемого целевого продуктов приходится в среднем более четырех тонн различных «нецелевых» техногенных продуктов III.

Имеющиеся в настоящее время запасы техногенного сырья огромны и они ежегодно пополняются. Однако степень использования этого сырья, в частности, в интересах строительной индустрии остается по разным причинам пока низкой. В то же время для удовлетворения потребностей промышленности строительных материалов и изделий в районы, где имеется техногенное сырье, нередко завозится с больших расстояний специально добываемое нерудное сырье, либо в непосредственной близости разведываются его месторождения, создаются и эксплуатируются карьеры по его добыче

�