автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Исследование и разработка эффективных составов бетонов из отходов производства для шахтного строительства

РГБ Ой

Я 2 ПИВ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

На правах рукописи

МИНИНА Евдокия Васильевна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ СОСТАВОВ БЕТОНОВ ИЗ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ДЛЯ ШАХТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Специальность 05.23.05 - Стрс цельные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1995

диссертащонная работа выполнена в Харьковском государственном техническом университете строительства и архитектуры и научно-исследовательском институте организации и механизации шахтного строительства

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники

Украины, лауреат Государственных премий СССР и Украины, академик Лк Украины, доктор технических наук, профессор В.И.БАБУШКИН

Официальные оппоненты - заслуженный деятель науки и техники

Украины, лауреат Государственной премии Украины, член-корреспондент АН Грузии, доктор технических наук, профессор

о .п. лидаов-пьтросян

кандидат технических наук, доцент

в.п.жлдьцов

Ведущая организация - проектный и научно-исследовательский

институт Харьковский "Промстройниипроект"

Защита состоится "23 " ят^рр г в часов

на заседании специализированного совета Д 02.07.03 в Харьковском государственном техническом университете строительства и архитектуры по адресу: 310002, Харьков, ул.Сумская, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ХГТУСА. Автореферат разослан декабря 1^95г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук,

профессор '¿¿фиииЬу&Я&А^- И.А.КЖШШОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Для независимой Украины актуальными являются задачи удовлетворения потребностей строительного производства в сырье и материалах за счет широкого вовлечения в хозяйственный оборот вторичных ресурсов и отходов производства и экономии энергоресурсов.

минеральные силикатсодержащие отходы производства по химическому и минералогическому составу близки к традиционно применяемым в бетонах заполнителям (песку и щебню), а иногда по технологическим свойствам превосходят их.

Уровень использования отходов производства в строительстве угольной промышленности Украины в настоящее время в несколько раз ниже уровня их использования в строительстве других отраслей.

Учитывая трудности, связанные с освоением капитальных вложений, все более актуальным становится использование в условиях щахтостроительных организаций отходов производства, не требующих дополнительной переработки, частности, золы-унос, отсевов щебеночных карьеров, золошлаковых отходов, простых и дешевых способов активации воды затворения.

Многообразие горнотехничеиких и горногеологических условий проведения горных выработок и существенные отличия свойств одних и тех же видов минеральных отходов производства в различных угольных регионах, обусловили необходимость сосредоточить исследования на объектах-представителях, наиболее полно охватывающих эти условия. Исследования проведены для наиболее представительных по объемам и материалоемкости в шахтном строительстве налравлений: монолитная бетонная крепь, железобетонные шахтные затяжки, твердеющие в закрепном пространстве забутовочные материалы.

Цель работы - разработка эффективных составов бетонов для монолитной бетонной крепи горных выработок, железобетонных шахтных затяжек и твердеющих в закрепном пространстве эабу-товочньгх материалов с использованием не требующих дополнительной переработки .местных силикатсодержащих отходов производства, дешевых способов интенсификации процессов твердения, обеспечивающих экономию цемента, песка, щебня и энергоресуроов.

Основные задачи исследований: - определить приоритетные направления использования различных минеральных силикатсодержащих отходов производства в условиях строительства, реконструкции и поддержания угледобычи шахт;

- выбрать методики исследований исходных компонентов и бетонов на их основе;

- исследовать влияние активированной кремнем воды затворения на процессы твердения цементного кешя и бетона и исследовать ео-зшяность получения "кремневой11 соды з&гворения ускоренными способами;

- разработать аффективные составы бетонов и твердеющих забу-тосочных игльриалов; исследовать их физико-химические и физико-ксханические свойства}

- разработать технологию приготовления, транспортирования и укяадии бетонных и твердеющих оабутопочшг/. смесей;

- провеем шахтную проверку' к внедрить раарабатгндае соете-ш, технологию приготовления и укладки бетонных и твердеющих в за-крепном пространстве забутоЕочных смесей; определить технике -зко-ношчеекую эффектисность их внедрения на объектах-представителях.

Автор защищает: эффективныед обладающие требуемый прочностью, водонепроницаемостью и4коррозионной стойкостью, экономичные составы бетонов для возЕедеиия монолитной бетонной крепи горных выработок и изготовления келезобетонкой шахтной затккки и твердеющих б закрепнок пространстве ваОутовочиых материалов, приготовленных с использованием не требующих дополнительной переработки местных скдикатсо-доржащих отходов производства;

результаты зкепершзнталышх исследований влияния на процесса твердения цементного камня и бесона активированной вода затво-лрения: "кремневой", омагниченной "кремневой", "крашевой" с супер-пяаехифшнигарок, омагниченной водопроводной, водопроводной с химическими добавками, омагниченной морской;

технологию приготовления и уеездки разработанных эффективных составов бетонных и твердеющих в задрепном пространстве аабуто-аочных смесей;

результаты внедрения разработанных аффективных составов бетонных и твердеющих забуровочшх смесей.

Научная новизна Установлено, что обработка вода крещен приводит к изменению ее окиелительно-восатаношгельных свойств в восстановительную сторону. Поверхность крекня является как бы каталитической подааккой для перестройки структуры воды в свойсгванную "¡твой" воде.

Установлено, что в соответствии с диаграммой термодинаамчее-

кого состояния соды в координатах "pli - Eh", "крешевал" вода за-творения с заданншги параметрам! находится о термодинамически неустойчивом состоянии и обладает погашенной хю,<ической активностью. При этом пространственная структура "кремневой" воды приближается к таковой у кремнезема и силикатов, что облегчает при зат-ворении цемента"кремневой" водой образование зародышей гидросиликатных новообразований и увеличивает их количество.

Рентгенографическими и дериватографическими исследованиями установлено, что интенсификация процессов твердения цементного теста, затворенного активированной водой, обусловлена образованием большего количества низкоосновных гидроешшкатов кальшя и значительного количества эттрингита в раннем возрасте.

Практическое значение работы:

- применен комплексный подход к выбору отходов производства для бетонов крепи горних выработок, железобетонных шахтньк затяжек и твердеющих в закрепном пространства забутовочных материалов, позволивший на объектах-представителях е учетом конкретных условий проведения горных выработок определить возможность и целесообразность использования мест ¡к силикатеодериащих минеральных отходов производства, не требузи' « дополнительной переработки;

- научно обоснованы и разр Вотаны дешевые, доступные и простые в технологическом исполнении способы интенэификации процессов твердения бетонных смесей посредством активации воды затворе-ния обработкой ее кремнем, магнитным полем, химическими добавками и отдельными сочетаниями этих способоз, обеспечивающими суммарный эффект интенсификации твердения;

- разработаны ускоренные способы приготовления "кремневой" воды затворения;

- разработаны и внедрены на объектах-представителях эффективные составы мелкозернистых бетонов и твердеющих в оакрелном пространстве забутовочных материалов с использованием (вместо песка и щебня) местных еилинатсодерхащих минеральных отходов произ водетва, не трёбую'дих дополнительной переработки, технология и* приготовления и укладки;

- пру участии автора разработаны и директивно внедрены в строительстве угольной промышленности "Научно-техническая прог-p&sia использования вторичных ресурсов з строительстве Минугле прола CGÛÎÎ" и "Методические рексиендаг^гл по технологии пригото • дения бетснсз с химическими добавнауи".

Внедрение результатов. Разработанные эффективные составы бетонных и твердеющих забутовочных смесей с использованием силикатсодержащих отходов производства, не требующих дополнительной переработки, технология их приготовления, транспортировки и укладки внедрены на двух объектах-представителях: в тресте "Красноармейсхшахтострой" комбината "Донецкшахтострой" на строящейся шахте "Красноармейская-Западная" № I и на руднике "Ба-ренцбург" архипелага Шпицберген (Норвегия) производственного объ-едлинная "Арктикуголь". Объем внедрения составил: на шахте "Красноармейская-Западная" S I (1У08-1994г.г.) бетона кл. В12,5 -¿1830 м3, бетона кл. BI5 - 2960 м3, твердеющих забутовочных материалов - ¿3000 мэ; на руднике "Баренцбург" (196У-1УУ2 г.г.) -6991 м® бетона кл. В22,5 при изготовлении шахтной затяжки.

Экономическая эффективность работы. Приведенный экономический эффект на весь объем внедрения на двух объектах-представителях составил 573300 рублей б ценах года, что по состоянию на 01.03.95г. соответствует 53,9 млрд.крб. или 360 тыс. долларов США.

Апробация исследований. Основные положения диссертационной работы додокены и обсуждены на:

технических советах треста "Красноармейскшахтострой" (г.Крас-ноармейск, Донецкой обл., 1988, 19В9, 1у90, 19У1, 1у93 г.г.);

технических советах производственного объединения по добыче угля "Арктикуголь" (г.Москва, 1989, 1990г.г., архипелаг Шпицберген 1969, 1990 г.г.);

отраслевом научно-техническом семинаре по использованию вторичных ресурсов в строительстве ¡4инуглепрома СССР (г.Харьков,1у8У);

Всесоюзной встрече специалистов "Применение ресурсосберегающих технологий 9 капитальном строительстве" (г.Харьков, 1990);

Всесоюзном научно-техническом семинаре "Развитие производства изделий из ячеистого бетона" (г.Челябинск, 1990);

Всесоюзном научно-техническом семинаре "Новые вяжущие материалы и их применение" (г.Новосибирск, 1991);

ученых советах НЖШС (г.Харьков, 1988, 196У, 1990, 1995 г.г) научно-технической методической конференции секвди строительных материалов и изделий Харьковского государственного технического университета строительства и архитектуры "Использование отходов производства в строительстве" (г.Харьков, 1995).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, > том числе два нормативно-технических документа, два авторе-

ких свидетельства, подало три заявка а Роспатент Укрошш, ни одну из которых получено решение о кидача пэтвмта Укроти.!, гюдлиа одна заявка на получения па-тонга. ГовсмЯзяоЗ йодергц;«?.

О о* ъ о м р а (1 о ; :.!„ Дчесертзцяопная раСота состоит из введения» 5 разделов, основных выводов, оплеиа лптсратурц, приложений. Содоретг ПО етрашщ аашнопяопога <теп*а, 33 тайлигн, 37 р.чяунког,.

СОДЕРЖАВ й Ё ? Л Б О Т 1!

Во вээдеиаз обсенозана акгуаяьшать работ, к.чуг-ши! нолкзш-.» ©^ор^ллрозк-ш завещаемые апторои положения.

В порти разделе дгш анализ научно-технической и патентной литература по нвпользоззшш минеральны? отходов производства а бетонах и тшрдеющах зайутгооошшх натерхалас в Укракне я за рубс -аом. Отмечено, что практического опита а этой направлении накоплено недостаточно и требуэтел прояэя.енне апешалькг« исследованчл.

Охарактеризованы отещфюезрне условия приготовления, транспортирования п укладо, эягплуатац'Ш бекона б крепях горных боток. Откачано, что в процеа э эксплуатации бетон шахтной крепч подвержен воздействии продал/ ного по времени горного давления» агреееявнж шахтных арзд, а ;.ногд& - знакопеременных и низких отрицательных температур. Ороруулировзнн основные технические требования к ¿этонаи крепей горнах выработок, к твзрдэющнм в закройной пространство забутойо'лгг! материалам., к отходам производства.

В Донбассе а качества объекта-представителя эабран 'грез? "КрасноарнейекшахтостроЯ" комбината "Донецшпахтоагро21" п гяяэм £ болыгам сбхе.'-!си работ по возведению крепе?! горинх знряротак и зг-бутовке занрэшого пространства при аяррительсгве новой шахта "Краеноар-гейская-Запзднал" У I, а также наличием меатных отходов производства - золи-унос и гранатного отсева,

В качестве второго объекта-представителя нгбраи рудник "£г~~ ренцбург" на архипелаге Шпицберген (Норвегия) а еущез'гзенно отли-чаюцякнея от Донбасса горнотехшг-шеканн и климаткчеакмж условиями. К настоящему времени на проаплощадяе рудника "БарэнцЗург" скопилось в отвалах большое количество золошлакозых отходов ТЭЦ, работающей на местной угле. Использование золочи адовых отходов в бетонах позволит значительно сократить объем поставляемых с материка песка и щебня, а использование омагниченной моргной годы для их затворекия решает проблем дефгпул-та литьезоЯ зодыв ранее применяемой для приготовления бетонов л строительных растворов.

Ведущая роль в разработке безотходных технологий, в использовании еиликатсодержащих отходов производства, развитии теории твердения и коррозионной стойкости вяжущих, бетонов и других строительных материалов принадлежит таким ученым как П.П.Будников, П.И.Боженов, Ю.М.Бутт, В.И.Бабушкин, В.В.Байков, А.В.Волженский, В.Д.Глуховский, В.С.Горшков, Л.М.Г'рушко, В.А.Кинд, Г.И.Книгина, Б.И.Крамарев, Н.Н.Круглицкий, О.П.Л4чедлов-Петросян, С.А.Миронов, Н.В.Михайлов, Н.Ф.Лолак, В.Б.Ратинов, Т.И.Розе^берг, Г.Н.Сивер-цев, В.В.Тимашев, А.Н.Плугин, В.Л.Чернявский, А.В.Ушеров-Маршак, а также их многочисленным ученикам и сотрудникам.

Вопросы практического использования отходов производства в строительстве объектов угольной промышленности отражены в работах специалистов НШОМДС А.П.Вондаренко, С.А.Бернштейн, В.П.Друцко, Л.Г.Коскова, Д.И.%чкика, В. В.-Черкасова и др.

Рассмотрены нами вопросы современных представлений о теории твердения цемента и способы интенсификации твердения цементного камня и бетона. В настоящее время общепризнанным является формирование структуры цементного камня, включающее четыре стадии: первая - интенсивная гидратация; вторая - развитие пространственной коагуляционной структуры и переход гидратных новообразований в термодинамически более устойчивые формы; третья - образование пространственного каркаса кристаллизационной структуры; четвертая -набор и повышение прочности. Использование различных способов интенсификации процессов твердения увязано с этими стадиями.

Нами рассмотрены механические, физические, химические виды активации бетонной смеси и ее компонентов, а также некоторые их сочетания. Для дальнейших исследований приняты дешевые, доступные, простые в технологическом исполнении и эффективные способы интенсификации процессов твердения бетона путем обработки воды затво-рения - наиболее активного компонента бетонной смеси - кремнем, магнитным полем, химическими добавками, а также некоторые их сочетания.

Во втором разделе приведена обобщенная классификация отходов производства, используемых в шахтном строительстве; методики исследований свойств исходных компонентов, бетонов и твердеющих за-бутовочных материалов; характеристики примененных в работе материалов. Применен комплексный подход к изучению свойств силикатсоде-ржащих отходов производства и бетонов на их основе, включающий оценку радиоактивности,исследование физико-механических свойств, химического и минералогического состава.

Химический и зерновой состав, насыпная плотность, тонкость помола, нормальная густота и сроки схватывания, водонепроницаемость, морозостойкость, прочность - определялись по гостированным методикам, коррозионная стойкость бетона - выдерживанием образцов-кубов в агрессивных средах с последующим испытанием их в запланированные сроки.

При подборе составов бетонных и забутовпчных смесей применен метод математического планирования эксперимента - полный факторный эксперимент типа и Математическая обработка экспериментальных данных изменения прочности бетона во времени, затворенного активированной различными способами водой, произведена на персональном компьютере типа IBM PC XT/AT.

Контроль радиационных параметров производился в соответствии о "Методическими рекомендациями по проведению радиационного контроля в строительстве", утвержденными ¡¿инздравом Украины.

Рентгенографические исследования проведены на рентгеновском дифрактометре УPC ЬОШ по методу плоского образца.

Дериватографический анализ выполнен на дерлватографе системы Ф.Паулик, И.Даулик, А.Эрден. Заг. (сь ДГГ, 1Г, ДГА производилась в автоматическом режиме.

Обработка водопроводной во; J затворения кремнем производилась в стеклянных сосудах при естественном освещении, при воздействии излучений дайной волны 420-460 нм, при перемешивании механической мешалкой, при сочетании перемешивания с воздействием излучения.

Обработка воды затворения магнитным полем производилась устройством для магнитной обработки воды типа G0-H.

Структура бетона изучалась под микроскопом ШН-8 в отраженном свете на аншлифах.

При подборах составов бетона и твердеющего забутовочного материала и при их внедрении использованы следующие исходные материалы: шлакопортландцемент М300 Амвросиевского цементного завода, зола-унос ^раховской ГРЭС, гранитный.отсев }Саранского карьера (для шахты "Красноармейская-Западная" № I); портландцемент А400 цементного завода "Пунане Кунда" и золошлаковые отходы местной ТЭЦ (для рудника "Баренцбург").

В качестве воды затворения для бетонов исследованы: водопроводная вода, водный раствор пластифицирующих и противоморозных химических дббавок, "кремневая" вода, омагниченная "кремневая" вода, "кремневая" вода в добавкой суперплаетификатора, омагниченная водопроводная вода, омагниченный раствор суперпластификатора, морс-

кая и омагниченная корская вода залива Айс-фиорд.

В третьем разделе приведены результаты исследований влияния на интенсификации процессов твердения бетона активированной различными способами воды затворения, разработаны ускоренные способы активавди вода затворения кремней.

Опот применения "крешевой" воды для затворения бетонных смесей с использованием отходов производства в отечественной и зарубежной патентной и научно-технической литературе не освещен, поэтому нами были проведены исследования по обработке водопроводной воды кремнем и ее воздействия на процессы твердения цементного камня и бетона.

При контактировании кремня с водопроводной водой происходит удаление растворенных з ней газов с изменением окислительно-еэс-стэяовительных сеоЙств. Показателем полноты протекания этих процессов является стабилизация величины окислительно-восстановительного потенциала (ЁЛ ) и появление пологого участка на кривой "окислительно-восстановительный потенциал -- время обработки" (рис. 1, а, б). При обработке воды кремнем при естественном рассеянное света появление пологого участка наблюдается через 7 суток (рис. 1, а).

дня разработки ускоренных способов получения "кремневой" вода затворения нами было исследовано влияние на величину £11 : ос-веЕенности, материала и цвета сосуда, содержания кремня в водопроводной зоде, крупности зерен кремня, перемешивания механической мешалкой, воздействия излучения длиной волны 420-4.60 нм, а такве сочетания этих способов. Экспериментально установлено, что при естественном освещении абсолютная величина ЕЬ (в области ее отрицательных значений) возрастает более интенсивно, чем при выдерживании в темноте; в сосуде из неокрашенного стекла интенсивнее, чем е окрашенном стеклянном, жестяном, пластмассовом, эмалированной, алюминиевом. Перемешивание механической мешалкой и обработка излучением дойной волны 4<с0 460 им, существенно сокращают период получения "кремневой" воды затворения. Сочетанием перемешивания механической мешалкой с обработкой излучением время получения "кремневой" воды затворения сокращено более чем в 49 раз(рис. 1,6)

Экспериментально установлено, что нормальная густота цементного теста при затвореник "крешевой" водой снизилась на 0,3%, начало схватывания сократилось на 35 мин, конец - на 46 мин.

С возрастанием абсолютной величины Е1г "кремневой" воды затворения возрастает прочность цементного камня, особенно в раннам

еь,5

Рис. I. Зависимость величин«• ЕН от сисег'ч-' сд1рп-::т:-л! е:г> кремнем: а - при естественном освещении;б - ус-;сорснп'?.п! способами: I - уяьтряфаояетознм излучсклеи; \1 - -«.узнической мешалкой; 3 - перемешиванием мехенкчсскоИ »с •рдчуп и воздействием ультра ^иодетоЕ^м игзлучением

- и -

возрасте (рис. 2).

наследовано влияние термообработки (нагревание до кипения, а также нагревание до кипения и быстрое охлаждение до температуры 20°0) "кремневой" воды затворения на прочность цементного камня, ¿экспериментально установлено, что нагревать до кипения "хреше-вую" воду затворения нецелесообразно.

Приведены результаты исследований по подбору составоь Сетона для монолитные бетонные крепей горных выработок и шахтных жадуза-ботонных затя..сек и твердеющих в закрепно;.; пространстве забуговечных. материалов. Подбор составов бетонных и забутовочных смесей с использованием местных силикатсодержащих отходов производства на объектах-лредсташтелж производился с применением метода, ь.чтома-тического планирование ¡»«сдорюмзнта - полного факторного оксцери-мента типа ¿° и Ь результате обработки на ЛЛ экспериментальных данных, полученные при реализаций г.гатрпш планирования, выведены катом.ятичзскле зависимости расчета составов бетонные и твердеющий забутовочных смесей заданной подвижности и прочности. для бетона Жэи и .¿¿оО (классов по прочности £112,5 л В15) с лепо-льзованием '.илалопортландцекента ¿ШО, золы-унос п гранитного отсева уравнение регрессии приняло вид

¿¿8 = 230,Зйо - ¿7и,7о4Х.£ + 0,4ЛХд + 0,333X^2 , где - прочность бетона в возрасте 26 суток, кгс/см^; Х^- во-

доцементное отношение; л^- доля золы-унос в смеси заполнителей; Х^ - расход во.щ на I бетона, нг.

V _ 3_

А---.

з + о

где з - расход золы-унос на I мэ бетона, кг; о - расход гранитного отсева на 1 м3 бетона, кг.

для твердеющего забутовочного материала и!25 и ¿450 (классов по прочности В2 и В3,5) уравнение регрессии приняло вид Й2В = ^ХМ46 - 1'М?5ХХ + 0,4Х2 + 4010-г»4Х1Хг - 0,045X^3 для бетона иЛЗОО (класс по прочности В22,5) на золошлаковьк отходах (рудник "Баренпбург") уравнение регрессии приняло вид

= З.оЗб +• 0,633Х1 +■ О.ОбЗХ^ + 0,033Х3 - 30,1В8Хд , где Ящ - прочность бетона в возрасте 28 суток, кгс/см , Х^-..расход цемента на I мэ бетона, кг; Х£- раслод щебня на I м3 бетона; лд- расход песка на I м3 бетона; Х^- водоцементное отношение.

Используя полученные математические зависимости, расчетным путем определена область значений переменных, при которых бетон

Рис. Прочность цементного камня на обработанной кремнем воде с различными значениями ЕЬ : 1 - ЕЛ-+ОЛ г - №=-0,45; 3 - №=-О.ио; ! • £/¡=-0,7^; о -

отвечает требованиям по прочности и подвижности. Экспериментально были проверены составы с наименьшим и наибольшим расходами цемента. Экспериментальные данные практически совпали с расчетными. Для дальнейших исследований приняты составы бетона с минимальным расходом цемента.

Экспериментально установлено, что бетон Л50 (класс по прочности В12,5) на шлакопортландцементе, эоле-унос и гранитном отсеве по водонепроницаемости соответствует марке и/4, по морозостойкости - FI50; бетон UZ00 (класс по прочности BL5) -W6 и F2QQ; бетон М300(класс по прочности В22,5) на золошлаковых отходах и портландцементе jii400 по морозостойкости соответствует марке F300, по водонепроницаемости - WЬ. Коэффициент коррозионной стойкости при выдерживании в шахтных водах с сульфатной, углекислотной и выщелачивающей агрессивностью в течение трех лет исследований оставался выше единихде. »

Исследовано влияние на прочность цементного камня и бетона акгивьцки воды затворения кремнем, магнитным полем, суперпластификатором, сочетанием способов обработки кремнем и магнитным полем, кремнем к суперпластификатором, суперпластификатором и магнитным полей (табл Л).

Таблица I

: Прирост прочности бетона на золошлаковых Способ активации: отходах, обусловленный активацией воды

водопроводной : затворения, %_

воды »«.творения . продолжительность твердения бетона, сутки _ : 3 : 7 : 06 : 60 : 90: iBU : ¿?Л) : 360 :

Кремнем 66 47 22 17 12. 8 6 4 3

Магнитным полке 47 40 20 15 10 6 4 2 2

Суперпдасткфкжа-тором 44 3Q 18 15 10 6 4 2 1

Кремнем и магнитным полек XQQ 70 37 ~ 32 20 15 10 7 5

Кремнем и супер-пласткфвкьторсш 99 &7 34 30 19 14 9 4 3

Супе рмлетифи которой к магнит-нш похш 65 63 31 28 17 13 а 4 4

Не, руднике "Барекцбург", учитывая дефицит и высокую атои-мость питьевой вода, была проведены эксперименты по выявлению во-змокноет« использования он&гниченной морской воды для затворения бетонных смесей на аогошдыювщс отходах местной ТЭЦ. Обработка

магнитным полем морской воды устранила вредное влияние на бетон большого количества содержащихся в ней солей (сухой остаток 32,У5 г/л) и обеспечила в 28-суточном возрасте повышение прочности бетона на 33% в сравнении с затворением питьевой водой, что связано с образованием дополнительных центров кристаллизации.

Введение добавки суперпластификатора ухудшило свойства омаг-ниченной морской води, что связано с экранизацией содержащихся в морской воде ионов кальидя и маг.ия.

для условий рудника "Баренцбург" в твердеющих при отрицательной температуре бетонах на золотя аковых отходах применены разработанные наш комплексные химические добавки (A.C. СССР № 417338 и A.C. СССР № 444751), ускорившие твердение, снизившие температуру замерзания жидкой фазы бетона и обеспечившие после 2В суток твердения при температуре до -30°С и последующего 6-часового оттаивания в воде при температуре +18°С прочность бетона 24Ша. Водонепроницаемость бетона соответствует марке IV6.

Приведенными исследованиями была установлена возможность снижения температуры изотермического прогрева при сохранении общей продолжительности цикла тепловлажностной обработки железобетонных кессонных шахтных затяжек из бетона на золошлаковых отходах, затворенного омагниченной морской водой, на Х5-20°С в сравнении с затворением питьевой водой.

Рентгенографическими и дериватографическими исследованиями подтверждена интенсификация процессов твердения цементного камня и бетона при затворешш активированной различными способами водой за счет образования большего количества низкоосновных гидросиликатов кальция типа CSH (дополнительные пики 4,32 и 3,51 Ä,

о

более интенсивные пики 9,81 и 3,04 А), образования значительного количества эттрингита в раннем возрасте (дополнительные пики 2,56 и 3,63 А) и постепенное дальнейшее повышение его содержания, образование гидрогранагов (дополнительный пик 2,68 А).

1&кроскопическиыи исследованиями установлено, что гидратиро-ванная цементирующая масса бетона на золошлаковых отходах мелкопористая, поры замкнутые. Зерна заполнителя плотно погружены в гидратировэнную массу. Зазоров и трещин между заполнителем и цементирующей массой нет. Тип цементации - базальный. Структура бетона плотная, что обеспечило требуемую прочность, плотность, водонепроницаемость, морозостойкость и коррозионную стойкость.

аа персональном компьютере были обработаны экспериментальные данные изменения во времени прочности цементного камня и бетона,

затворенных всеми исследованными средами. Кривые изменения прочности цементного камня во времени во все сроки твердения описываются зависимостью У = А + Вх", бетона на золошлаковых отходах -зависимостью У = Х/(А + ВХ) при твердении до 60 суток и зависимостью У = А + £ХУ - при твердении до 720 суток, где У - прочность бетона, Ша," X - продолжительность твердения, сутки; А и В - коэффициенты регрессии; У - показатель степени.

Полученные зависимости были использованы НИИОШС при решении задач совместной работы системы "порода-забутовочный материал -крепь" и "порода - крепь" при проявлении горного давления во времени.

Четвертый раздел посвящен разработке технологий приготовления, транспортирования и укладки бетонных и твердеющих забутовоч-ных смесей с использованием не требующих дополнительной переработки отходов производства, химических добавок и активированной различными способами воды затворения с учетом условий объектов-представителей .

На шахте "Красноармейская-Западная" № I транспортировка по стволу бетонных смесей была предусмотрена по трубопроводам диаметром 100 мм с быстроразъемными соединениями, разработанными НШОМШС совместно с трестом "Донецкшахтапроходка", или в шахтных вагонетках. По горизонтальным выработкам к месту укладки - в шахтных вагонетках. Укладка бетона за опалубку и забутовочного материала в закрепное пространство - бетоноукладочным комплексом БУК-3, бетононасосом типа БНЗ-120/40, растворонасосом типа 00-1^6 с пневмо- или электродвигателем во взрывобезопасном исполнении.

Забутовочные работы по разработанной технологии велись непосредственно из забоя проводимой выработки и не требовали предварительного набрызга бетона по затяжке для герметизации стыков.

Бетоны с использованием з'олы-унос, отсевов щебеночных карьеров, золошлаковых отходов взамен песка и щебня - являются мелкозернистыми, обладают незначительной абразивностью по отношению к бетонопроводам, более однородны и пластичны, что снижает трение смеси о стенки бетонопровода и предотвращает образование "пробок',' увеличивая срок службы бетонолроводов. Для приготовления бетонных и забутовочных смесей были использованы одни и те же отходы производства.

На руднике "Баренцбург" приготовление бетонных смесей для монолитной бетонной крепи и шахтной железобетонной затяжки осуществ-

лялоеь на БРУ, расположенном непосредственно на промплощадке вблизи наклонного ствола. Склад инертных на БРУ был переоборудован с учетом возможности приготовления бетонных смесей на золошлаковых отходах. доставка бетонной смеси в шахту осуществлялась в вагонетках .

При изготовлении шахтных железобетонных затяжек использовалась разработанная НйЛОпШС оснастка. Тепловлажностная обработка изделий производилось в пропарочных камерах ямного типа.

В пятом разделе приведены результаты экспериментальных проверок в кахтних условиях разработанных эффективных составов бетонов ;i твердеющих забутовочных материалов с использованием местных си-лнкатсодердящих шшерадьных отходов производства, не требующих пополнительной переработки, их внедрение на объектах-представителях, полученные технико-экономические показатели.

Разработаны и директивно внедрены отраслевые методические рекомендации по технологии приготовления бетонов с химическими добавками и ptjKoi.'eiuiaivin по применению отходов производства в бетонных и твердеющих забутовочных смесях. Разработано пять вариантов технологических схем отделения химдобавок, учитывающих объем выпускаемой продукции, условия работы и возможности предприятия в приобретении того или иного оборудования. Разработанными технологиями предусмотрено использование установленного и действующего на бптонЬрастворном узле и промплощадке шахты оборудования.

Экспериментальные проверки разработанных составов бетона и твердеющего забутовочного материала, проведенные на шахте "Красно армейская-Западная" № I и на руднике "Баренпбург", подтвердили их соответствие предъявляемым техническим требованиям. Но результатам экспериментальной проверки техническим советом треста "Кра-оноарыейс.кпахтострой" было принято решение о широком внедрении в тресте разработанных эффективных составов бетонных и забутовочных смесей с использованием шлакопортландцемента, золы-унос и гранитного отсева. На шахте "Красноармейская-Западная" I? 1 в годах при возведении монолитной бетонной крепи горных выработок внедрено ПьЗО м3 бетона jlibO (класс по прочности В1*2,5)'и >_960м3 бетона икООДкласс по прочности В15), при заполнении пустот за крепью - 23000 и3 твердеющего забутовочного материала. При этом сэкономлено ЗьОО тонн цемента, ¿5000 м3 песка, 23000 м3 щебня. Экономический эффект составил (в ценах 1984 года) на I м3 бетона класса по прочности В1<!,5 - ?,51 руб., на 1 м3 бетона класса Bio - 4,57 руб., на I м3 твердеющего забутовочного материала - 7,30

руб. Приведенный экономический эффект составил £46500 руб. в ценах 1964 года.

В 1394 году на шахте "Красноармейская-Западная" У I было щюэедено экспериментальное внедрение бетона кл. BI2.5 с исполь-юваанеы золы-унос, гранитного отсева и идакопортландцемента Ш00, затворенного обработанной кремней водой. В крепях горизонтальных горьасс выработок ояолоствольного двора горизонта 706 и било уложено &4 и8 бетона, затворенного обработанной креадем водой. Эконо-тя цгмзнта составила 60 кг/м3, песок и ¡¡$эбень были полностью за-иаиеш отходами производства. На техническом совете треста было приято решете о шедренаи разработанного состава бетона на стро-яецхжя и ре конструируемых шахтах.

На руднике "Барсш^ург" был испытан в шахтных условиях "холодай" бетон Ш00 (клаае по прочности В22,5) на золошдаковых отходах с использованы ем кфтлекеных протнвоыорозных химических добавок, обеспечявшх твердение бетона при отрицательных температурах (до 1&щус 30°С). Получены положительные результаты.

Лоехе проведения экспериментальной проверки в заводских и иа-хзшх условиях иа техническом совете рудника "Барзш$5ург" было принято решение о шадрашш разработевдых составов бетона на порт-хандцаавнте и золошлакозах отходах местной ТЭЦ при изготовдешш всего потребного джя руднака количества келезобетишых шахтных за-тшсек и бетона дня крашения выработок околоствольного двора. Объем внедрения шахтной железобетонной кесеошюй ватшаса sa 12891992 года соеташл 6991 м3. Сэкономлено 447 тонн шока и 769 toîdi щебня. ЭхонодаиесЕкй эффект составил 324800 руб. в ценах 1984 года.

Приведенный экшсйачзсгай эффект от шедрешш разработшшых эффективных составов бетона и твердезкцего зайутовочного материала за период 1988-1994 г.г. на двух ойъзктах-предсташтеллх (пахта "Кравдоараайвжая-Зададаая" Р I и рудашк "Баренцбург") соетаЕлл 573300 рублей в цзнах IS84 года, что по соетопалю на 01.03.95г. еоответетвует 53,9 шфд.крб. или 360 тыс. долларов США.

0 Б Щй £ ВЫВОДЫ

I. й^уадо обоснована и заоперюкзиз'ашга провэраш деизагэ, простив в гехнологачзмсы встюдкеиаи способы интеисифякадш про-^эсеоз ïbевдавдя Ceromsit tssxsdi а кваользогаииби зош-упоз и зс-¿айвваяогнх отходов посредьтаои актаса^щ вкцы затворения обработаем ее ярошжа, шпшгтш гамом, âsespîsckaasai двбашыеы и искогорзл

- ы -

сочетанием зтих способов.

¿. Разработан способ, позволивший более чем в 40 раз сократить продолжительность получения "кремневой" воды с заданными свойствами.

3. Установлено, что сочетание отдельных способов активации воды затворенмя обеспечило суммарный прирост ранней прочности цементного камня и бетона (обработка воды кремнем и магнитным полем, кремнем и суперпластификатором, суперпластификатором и магнитным полем).

4. Разработаны эффективные составы бетонов классов по прочности Ж<:,Ь, iiio для монолитной бетонной крепи горных выработок,

для изготовления железобетонной шахтной затяжки, твердеющие забутовочные материалы классов В2, B3,b, В12,Ь, В1Ь с использованием силикатсодержащих отходов производства. Установлена эффективность применения комплексных противоморозных химических добавок для бетонов на золошлаковых отходах, твердеющих в условиях низких отрицательных температур. Бетон кл. В12,о по водонепроницаемости соответствует марке -"'А, по морозостойкости - FI50, бетон кл. BLb - п-ь и PidOO, бетон кл. -И'Ь и F300.

о. Установлена эффективность применения омагниченной морской воды затворения, что позволило на руднике "Баренцбург" заменить дефицитную питьевую лоду и интенсифицировать процессы твердения бетонов на золошлаковых отходах.

и. Рентгенографическими и деривато графическими исследованиями подтверждена интенсификация процессов твердения бетонов при эа-творении активированной водой за счет образования большего количества низкоосновных гидросиликатов кальция, моносульфатной формы гидросульфоалюмината кальция, гидрогранатов. Макроскопическим исследованиями подтверждена плотная структура бетона, гидратирован-нал цементирующая масса мелкопористая, поры зайкнут-це, зерна заполнителя плотно погружены в цементирующую массу. Такач структура бетона обеспечила требуемую прочность, водонепроницаемость, морозостойкость и коррозионную стойкость.

V. Экспериментально установлено, что интенсификация процессов твердения бетона за счет использования активированной воды затворения позволила сократить на 2-3 часа сроки снятия опалубки при возведении монолитной бетонной крепи, снизить температуру изотермического прогрева на при изготовлении железобетонной шахтной затяжки. Лри сохранении неизменными технологических параде-

г ров экономия цемента составила от 7 до 28%.

8. Разработаны, утверждены и директивно внедрены отраслевые "Методические рекомендации по технологам приготовления бетонов с химическими добавками" (РД 12ЛЬ.076-08), отмеченные серебряной медалью ВДНХ СССР (1989г.), и "Научно-техническая программа использования вторичных ресурсов в строительстве Минуглепрома СССР". Разработаны и внедрены в тресте "Красноармейскшахтострой" рекомендации по приготовлению и укладке бетонных и забутовочных смесей с использованием отходов производства и обработанной кремнем води затворения.

9. Внедрено в I9Ö8-I994 годах в тресте "Красноармейскшахтострой" комбината "Донецкшахтострой" с использованием золы-унос и гранитного отсева II830 м3 бетона класса по прочности Blid,5; 2960 ы3 бетона класса BI5; 23000 м3 твердеющего в закрепном пространстве забутовочного материала. Разработан, прошел экспериментал льное внедрение и рекомендован к широкому внедрению бетон с использованием обработанной кремнем вода затворения.

На руднике "Баренцбург" (архипелаг Шпицберген) объем внедрения шахтных железобетонных кессонных затяжек из бетона класса В22,5 на золошлаковых отходах в I9B9-.I992 годах составил 6991 м3. Разработан, испытан в шахтных условиях и рекомендован к внедрению бетон на золошлаковых отходах с комплексными противоморозными химическими добавками, твердеющий в условиях низких отрицательных температур.

Приведенный экономический эффект на весь объем внедрения разработанных составов бетонов и твердеющих забутовочных материалов на двух объектах-представителях составил Ö73300 рублей в ценах 1984 года, что соответствует 63,9 млрд.крб. по состоянию на 01. 03.95г. или 360 тыс. долларов США.. Внедрение разработанных; составов продолжается.

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

I. Бабушкин В.И., Шнина Й.В., Любашевская Н.В., Черкасов В. Ь. Пути снижения расхода цемента на предприятиях Минуглепрома СССР. - Обзорная информация. Строительство предприятий угольной промытшенности. - ¿¿. :ЦНИЗИуголь, вып.6, 19ь9. - 37с.

Бабушкин В.Л., Минина ¿.В. Об экономии цемента в бетонах для крепей горных выработок и в забутовочных материалах. - В сб.: Технология, механизация и экономика шастного строительства. Харьков: ВНЛ,К№С, 1990. - с.131-140.

3. Бабушкин В.П., Минина К.В. Коррозионная стойкость бетона и твердеющих в закрепном пространстве забутовочных материалов, приготовленных с использованием отходов промышленности. - В сб.: Организация, механизация и экономика в шахтном строительстве. -Харьков: ВНИИОМДС, 1991. - С. 115-123.

4. шЪшина Ü.B., Ковтун Й.П., %чник П.И., Черкасов В. Использование вторичных ресурсов в строительстве предприятий угольной промышленности. - Обзорная информация. Строительство предприятий угольной промышленности. - ¿1. : ЦНИЭИуголь, 1987, вып.4. -42 с.

5. Научно-техническая программа использования вторичных ресурсов в строительстве Минуглепрома СССР. /Докукин О.С., Косков И.Г., Черкасов В.В., Минина li.B., йфчник П.И, и др. - Кемерово: КузНИИшахтострой, 1986. - 95 с.

6. ivfciHHHa ¿.В. Использование отходов производства при приготовлении бетонов для крепей горных выработок и твердеющей забутовки . - В сб.: Строительство шахтной поверхности с применением эффективных конструкций и материалов. - Харьков: ВНИИОиШЮ, 1988.

- С. 56-63.

7. йшина Ü.B. Исследование и разработка эффективных составов бетонов и забутовочных материалов с применением побочных продуктов производств. //Тез.докл.Всесоюз.семинара: Применение ресурсосберегающих технологий в капитальном строительстве. 29-31 октября 1990г. - Донецк: ЦБНТИ, 1990. - С. 19-20.

8. Минина Ü.B., Фандеева С.Г. угормирование норм расхода цемента при возведении монолитной бетонной крепи горных выработок.

- В сб.: Совершенствование технологии и механизации в шахтном строительстве. - Харьков: ВНЛИОШС, 1986. - С. 101-105.

9. Методические рекомендации по технологии приготовления бетонов с химическими добавками. - РД 12.18.076-88 /Шнина Ü.B., Черкасов В.В., Бунаков А.Г., Черетянко В.И. - Харьков: ВШШШЮ, 1988. - 48 с.

10. Минина Е.В., Мирошниченко Е.Г., Фандеева С.Г., Квасниц-кая C.B. Исследование кинетики твердения бетона с использованием побочных продуктов промышленности. - В сб.: Технология, техника

и организация проведения капитальных горных выработок. - Харьков: ВНИИОДОС, 1989. - С. 164-173.

11. A.c. tf 417388 (СССР), С 04 В 13/20, С 04 В I3/2Û. Бетонная смесь. /Минина Ё.В., Бернштейн С.А.

- '¿С -

12. A.c. № 444751 (СССР), С 04 В 15/12. Бетонная смесь, / лкнина ¿.В., Бернштейн С.А., Данилов A.M.

13. ¿{¡шина К.В., Черкасов В.В., Костырко ¿.И. Об экономии цемента и использовании вторресурсов в строительстве угольной промышленности. //Тез.докл.Всесоюз.науч.-техн.семинара: Развитие производства изделий из ячеистого бетона. - Челябинск: Знание, îj-JO. - С. 23-<:4,

14. Лнина ¿.В. Об использовании побочных продуктов производств з бетонах крепей горных выработок и в твердеющих забутово-чных материалах. //Тез.докл.Бсесоюз.науч.-техн.семинара; Развитие производства изделий из ячеистого бетона. - Челябинск: Знание, Ш0. - С. 20-26.

15. Минина К.В., йшна ¿.И., 1юндрал*енко К.В. Об эффективности применения строительных растворов различного назначения с использованием отходов производств. //Тез.докл.Всесоюз.семинара: Применение ресурсосберегающих технологии в капитальном строительстве. 29-31 октября 1990г. - Донецк: ЦБНТИ, 1990. - С. 38-39.

16. Минина Ü. В., Кондратенко ¿.В., Костырко itf.H., Ишина JJ.iL 0о использовании отходов промышленности в производстве строительных растворов. //Тез.докл.Всесоюз.семинара: Новые вяжущие материалы и их применение. - Новосибирск, 1991. - С. 36-3?.

17. Свистун Г.В., Черкасов В.В., ¿¡¡инина ¿.В., Любашевскал

П.В. Внедрение статистического контроля прочности бетона на предприятиях стройиндустрии Минуглепрома СССР. //Шахтное строительство. - 1987. - К' I.

IB. а&нина К.В. Исследование и разработка коррозионностой-ких бетонов на золошлаковых отходах для условий вечной мерзлоты. - В сб.: Организация, механизация и экономика в шахтном строительстве. - Харьков: ВПИЛОШЮ, 1991. - С. 124-130.

19. Решение (?.' 12УЬ2) о выдаче патента Украины по заявке Î? 95052414 "Способ повышения химической активности воды". /Бабушкин В.И., Лйинина Ь'.В.

MiHiaa е.З. Досл1 даенач i рэзроЗка еЗекглзкогэ скхаду Зз-TOKia is Э1д::0д1з ззробяяцтва для шхтного буд1вкйцгза.

Дзсертац1я ка здобуття вчекого ступени кандидата sexKi=-нях наук по спеШальносг! 05.23.05 - буд^вельк! .v.aTepia.-j; га Ейробв, XapiiiBCbKHil дерлавниИ иехи!чнйи уя!зерсйсг2 буд!2Е2ц-тза га cpxiггкгурд, Харк!в, 1995.

Захяадеться робота, в як 111 розроблекай а^ексавйа.! склад бетон!в з вдяоркстанкам сил! катам! щузчих В1ДХ0Д1з вяробництла i акгяэозако! зоди загаор1ння ; дэсл1даен1 Qiзяко—xii4Hi i ■.5i3:-i:co-:.'.exaHi4Hi якосг! розроблсних бетон!з. Зосаксв^по, що опг::.:ахьне з!дно^8ЕЕЯ кокпонект1в Sstohhoi cyaial дозззляе одер.:лгд бегон 1з зздзнааа ф! заяо-ас;с2н1 чюши якссгяма лр;: яозн!-'зам!к! Шоку 1 цебека в!дхохаг.«£ зоробквдгза. Sacsccj-ванкя еи^зозано! годи загзор1ЕКЯ дэззолкдо ЬчгсЕсаЛ'луга:::-: лроцзся гзердЗякя ieio-iis. Сполучекнл OKps:/.;:x спооо2:з а-зацхх ес'дз за:аор1ккя забезпечс/.о су;.:арг-:и:": лряр! с г sa;-:::i>o i :.:inHCoTi бегоку. Зарозад^ення проведено з Hcidaci i ка арх:-пзлаз! ПШцбергйн. Е:<оном!чнк11 ерекг (ISS8 - ISS4 p.p.) сзлаз 53,3 ::лрд.крб.

jJa c2i.::;ic2b.

- 24 -

Minina Y.V. Research and working out of effective concrete cciposi tions using production wastes -for shaft construction.

The thesis is presented -For a candidate' 5 degree of teriimcsl sci ences on speciality

05.23.05. construction raater:als and products (Kharkov State Building and Architecture Technical University, Kharkov, 1993>.

The thesis is presented in which the ef-factive ccncreie compositions ere workedjEut where production wastes are used together with activated water -for batching. Methods of rising chemical activity of water for batching. It has been inverstigated alsc_ the

pnysiccchaiTiical and physicomechanical properties of workec cut concretes.

It has Deen established that optimum

rL'lftr.ion of components in concrete mixture- it

possible to concrete with pre—s^t pnysi ca.r.ecr.jinz cai

properties with complete substitution of and

trol:en stone. Using of activated watsr for batching madt-i t possible ti) intensify the pracdiss of ha.-c.?nir.c concretes. The total increase of ' concrete primary strength by combination of activation methods cf wtvtsr ior batching has oeen provided. The introduction cf the nsn •idvenceo technology has been conducted in DonbciSi. region and on ¿irchip&lago Spi ts^3rQeri. economic amount to 53,9 Milliard karbovoncta..

.-;ey

wards: concrete, production, wasts including

silicates, irethodj of activation, . strength,

wati^rtightne^s, corrosion resistance.