автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Силикатные материалы гидротермального твердения с использованием попутно добываемых глинистых пород КМА

На правах рукопнея

СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО ТВЕРДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОПУТНО ДОШВАЕШХ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД КМА

03.23.06 - Строительные материалы а изделия

АВТОРПОВРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технически* наук

Москм 1 йии

Работа выполнена в Белгородской государственной технологичес; академия строительных материалов

Научный руководитель* - кандидат технических наук,

доцент Лесовик B.C.

• 0 -

* . . *

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Серых Р. Я.

- кандидат технических наук, доцент Иванова М.В.

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовате.

ский и проектно-изыскательский институт "ВНИПИИстромсырье"

Защита состоится 7п <-¿¿^¿/7Ля, 1995 года в час.

на заседании диссертационного совета К 063.08.0i в Московскс институте коммунального хозяйства и сроительства по адресу: ЮЭ807, г. Москва, 5-29, Средняя Калитниковская ул., д. зо, ЫККХиС, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского инсг тута коммунального хозяйства и строительства.

•

Автореферат разослан -20 щ оъ^-^и^. 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бунькин И.О.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи с сокращением расходов на геологоразведочные работы и, как следствие, уменьшением прироста запасов полезных ископаемых, существенно возрастает актуальность комплексного использования недр.

<г Тщательное исследование .сырья и установленная закономерность соответствия техногенных процессов геологическим для производства строительных ! материалов с юшимальными энергозатаратами, стала отправной точкой к разработке технологии производства силикатных материалов автоклавного твердения, позволяющей использовать нетрадиционные для стройиндустрии глинистые породы, сотни млн. тонн которых попадают в зону горных работ при добыче железистых кварцитов только на месторождениях Курской магнитной аномалии.

Спецификой этих отложений является незавершенность процессов глинообразования. Исходные материнские породы разрушались, за счет их минералов образовались термодинамически неустойчивые соединения, такие, как "смешанослойные минералы, тонкодисперсннй слабоокаташшй кварц, несовершенная гидрослюда, реже са2+монтмориллолит и каолинит.

Использование подобных глинистых пород для производства силикатных материалов • позволит существенно расширить сырьевую базу, снизить энергозатраты на получение автоклавных материалов, а также ( поможет улучшить экологическое состояние окружающей среды.

С участием соискателя закончен комплекс исследований попутно добываемых пород железорудных месторождений КМА. Запасы эолово-элювиально-делювиальных глинистых пород утверждены в Государственном комитете по запасам при Совете Министров СССР.

Целью диссертационной работы является исследование свойств нетрадиционных для стройиндустрии попутно добываемых глинистых пород КМА и разработка технологии производства силикатных материалов автоклавного твердения на их основе.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование строения и состава глинистых пород Курской магнитной аномалии;

- изучение кинетики, процессов и продуктов взаимодействия глинистых пород и основных глинообразующих минералов с гидроксидом кальция в гидротермальных условиях;

- исследование влияния добавок глинистых пород различного состава и генезиса на микроструктуру и физико-мехацические свойства силикатных материалов;

- Ч-

- разработка технологии производства силикатного кирпича' и ячеистых силикатных бетонов с использованием известково-глинистого вяжущего;

- разработка рекомендаций по использованию кори выветривания алюмосиликатных пород для получения автоклавных материалов..

Научная новизна:

- установлена высокая реакционная способность верхней части коры выветривания алюмосиликатных пород с известью в гидротермальных условиях. Рост прочности силикатных материалов, на основе этого сырья происходит в результате образования более прочной микроструктуры цементирующего вещества за счет увеличения плотности упаковки материала, а также появления гидрогранатов, которые являются микронаполнителем в субмикрокристаллической гелевидной фазе из низкоосновных гидросиликатов кальция;

- на основании изучения процессов взаимодействия оксида кальция с каолинитом и монтмориллонитом в гидротермальных условиях установлены оптимальные кинетические параметры реакции cao с глинистыми м.-нералами и предельное поглощение ими CüO. что позволило разработать методику расчета состава известково-глинистого вяжущего;

- установлено, . что в известково-глино-песчаной смеси, с известью реагируют преимущественно глинистые минералы и частично тонкодисперсный кварц. Крупнодисперсный кварц с известью практически í'r реагирует;

- показано, что для синтеза автоклавных материалов оптимально» структур.! содержание тонкодисперсного кварца в глинистой гюрчдь должно ¡"оставлять 50...705t.-

Практическое значение работы:

■- разработаны технологии производства плотных и ячеистых ан токлавных силикатных материалов на основе известково-глинистого. вяжущего;

- предложена методика расчета известково-глинистого вяжущего v метод оптимизации сырьевой смеси, новизна которого подтверждена авторским свидетельством (A.c. N1716440);

- составлены рекомендации по, использованию нетрадиционных дп> стройиндустрии эолово-элювиалыю--делювиальных глинистых порол и качестве сырьевых компонентов' при произведет! силикатных издо;:^! плотной и ячеистой структур;

- разработаны составы сырьевых смесей для получении сикикпгнч) стеновых материалов автоклавного твердения с ж'пользованием ! и: i' (- - < ннх глинистых пород КМА;

- определены оптимальные параметры гидротермальной обработки изделий на основе глинистых, пород.' Полученные данные могут .быть использованы дл» оценки сырьевых ресурсов глинистых пород других регионов;

- разработана методика подбора состава известково-глинистого вянущего;

- на основе выявлетшх «закономерностей влияния глинистых минералов и тонкодисперсного кварца на свойства силикатных материалов, предложена корректировка ОСТ 21-1-80 "Песок для производства силикатных изделий автоклавного твердения".

Внедрение результатов работы;

- полученные экспериментальные данные использованы при утверждении запасов попутно добываемых пород Лебединского месторождения в ГКЗ СССР; • ■

- с использованием результатов проведенных исследований на Воронежском заводе силикатного кирпича выпущена опытная партия силикатного кирпича на основе известково-глинистого вяжущего;

- для строящегося в Белгородской области Алексеевского завода силикатных стеновых материалов разработан и передан технологический регламент на производство автоклавных силикатных материалов, в соответствии с которым планируется Строительство цеха;

- результаты исследований использованы в учебном процессе при обучении студентов специальности 29.Об;

- экономия энергозатрат при внедрении данной технологиии за счет отказа от помола кварцевого песка и сокращения времени изотермической выдержки составляет 20...25Я.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях БТИСМ (г.Белгород,1983... 1907 гг.), на 13 Всесоюзном совещании "Глины, глинистые минералы и их использование в народном хозяйстве" (г. Алма-Ата. 1985 г.), на научно-технической конференции "Использование вторичных ресурсов и местных строительных материалов на предприятиях стройиндустрии"'(г. Челябинск, 1987 г.), на 14 Всесоюзном совещании "Глинистые минералы и порода, их использование в народном хозяйстве" (г. Новосибирск, 1983), на Всесоюзной конференции "Физико-химические проблемы материаловедения и новые технологии." (г. Белгород, 1991), на Международных конференциях "Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций" (г. Белгород, 1993...1995 гг.), на VII совещании работников нерудной промышленности "Проблема добычи, переработки и использования минерального сырья в.промышлешотсти

строительных материалов" (г. Москва, 1Э94), на Академических чтениях РААСН "Современные проблемы строительного материаловедения" (г. Самара 1995).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 24 печатных работах, защищено 1 авторским свидетельством.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из. введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 218 страницах машинописного текста, включающего 29 таблиц, 42 рисунков и фотографий, списка литературы из 145 наименований, Ю приложений.

На защиту выносятся: • -

- экспериментальные исследования по оценке вещественного состава .нетрадиционных для стройиндустрии глинистых пород КМА и выпет-релых сланцев;

- данные изучения кинетики поглощения извести основными глино-образующими минералами с гидроксидом кальция в гидротермальных усл1 виях;

- ' теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности получения на основе нетрадиционных для стройиндустрии глинистых пород КМА силикатных стеновых материалов автоклавного твердения;

- результаты исследования_ влияния глинистых минералов в из-вестково-глино-пёсчаной смеси на процессы формирования и состав про,. ктов реакции силикатных материалов;

- методы расчета оптимального состава и технологии изготовления силикатных материалов автоклавного твердения на основе иэвест-ково-глдчистого вяжущего. . ~

Диссертациойная . работа выполнена в соответствии с "Целевой программой научно-исследовательских и проектных работ по комплексному использованию пород вскрыши карьеров и отходов обогатительных фабрик бассейнов КМА в народном хозяйстве", утвержденной Госпланом СССР. . . •

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показано современное состояние проблемы накопления л использования отходов горнорудных производств. •

В первой главе приведен литературный обзор, в котором описаны Исследования по изучению влияния добавок глин на технологические параметры производства автоклавных силикатных материалов, фнзико-

механические свойства и состав продуктов твердении.

Во »торой главе приведены результаты исследования 1шщес№!Н-ного состава глинистых пород и сланцев, используемых в работе а методики приведения экспериментов.

Глинистые, породы, распространенные на территории КШ, подр/м -делиится, в зависимости от условий формирования, на тринадцать нетических типов. Для исследований Сыли использованы глины тре* генетических типов, местрохдения которых имеет промышленное знлчп кие (см. табл.).

Таблица

Г'енетическая классификация исследуемых-глинистых пород КМА

А

и/ч

глины

Генетическая классификация

Группа Класс Подкласс Тип

Месторождении

1. Суглинки

г. Оаокоииднэм

Монтморилло-нит-гидро-слидисто-квэриевая

Осадочная

Осадочная

Осадочная

Механические осадки

Континентальный

Механи- Морской чес кие осадки

Механи -ческие осадки

Континентальный

4.

Песчаная монтморилло-нит-каолини-товая,

Быиет- Осадоч- Поверх-ривання ние по- постный роды

Эолово-элпви-ально-дел«ви-

Умеренных

глубин

Эолово-

эл^JBИ-

ально-

делвви-

альные

Остаточный

Лебединские, вскрыша

СТ.ос кольский р-он, Долгий ский учзст<ж

Стойло-Леби-

динское,

вскрыша

Стойло-Лебеди некое , вскрыша из зоны переот-лажения

Использовались также глинистые породы из месторождений Воро ■ю же кой области, которые относится к тому же генетическому типу, 1ТО и Лебединские суглинки.

По химическому составу исследуемые порода относятся к катего-зим кислых с высоким содержащем свободного кремнезема.

Дли исследований использовали также сланцы сериииг-кварц-био-■игового состава и продукты их выветривании. Начальной степени вы |&тривания соответствует кварц-бнотит-сернцитовые слзнцы. Для ни» :арактерно практически полное окисление пирита, частичная гидрата-11!я слюд. С ростом степени выветривания увеличивается содержание ■идроелвды за счет гидратации слоисты;: силикатов. Заканчиваею! [роцесс вшзетрипэния образованием существенно кзолшштовык разно--ндностей глинистых пород.

В качестве кремнеземистого заполнителя использовали песок Нижиеоливанского месторождения. Известковым компонентом служила известь .Белгородского комбината строительных материалов и Копани-щенская известь, 'применяемая на Воронежском заводе силикатного кирпича.

Исследование кинетики взаимодействия cao глинистыми минералами проводили путем гидротермальной обработки в лабораторном автоклаве прессованных образцов из увлажненной смеси гидроксида кальция и глини, определения связанной СаО этиловоглицератным методом с последующей обработкой полученных результатов на ЭВМ по разработанной нами программе. Расчет кинетических параметров проводили с использованием уравнения Ерофеева-Колмогорова.

При изготовлении плотных образцов глина вводилась в пигл известково-глинистого вяжущего. Поризованные образцы получали по разработанной нами методике, включающей приготовление глинистой суспензии, добавления молотой негашеной извести с последующим введением и массу платификатора и алюминиевой пудры. После вспучивания и стабилизации образцы вынимали из форм и подвергали гидротермальной обработке в лабораторном автоклаве по заданному режиму.

Дифференциально-термический анализ проводили на ч-дериватогра-фп системы F.Paulik, J.Paulik, L.Erdey; рентгеноструктурний на днф рактометре ДРОН-2 с К^ излучением.

В третьей главе приведены результаты исследования кинетики взаимодействия каолинита Глуховецкого месторождения и Черкасского бентонита (монтморилонита) с Cao в гидротермальных услонилх.

Эксперимент проводили с использованием метода математического планирования по ортогональному центральному композиционному плану. Выходной параметр У означает количество Cao в мэкв, поглощенно; ;-' 1 г глины. Параметры Х1, Xj, Х3 означают соответственно концентрацию Cao в смеси с глинистым минералом, время и температуру гидротермальной об£аботки. Были выбраны следующие интерпалы варьирована;, факторов: чб^^ээ (мзкв/г глины), 8<Xg<222 (мин), 140<L<180 (°С).

Для получения уточненных результатов влияния времени гидротермальной обработки и содержания СаО на его поглощение проведено четыре эксперимента, в которых интервалы варьирования концентрации СаО и времени были поделены на две части: 15«х1 -£45 и 45¿<

<мэкв/г глины), 8^x^30 и 48íx.2í£22 (мин).

Получены -уравнения регрессии, виракезювде влияние содерганкл Cao в известково-глинкстой смеси, времени и температуры на характер поглощения Cao глинистыми минералами.

Для каолинита 1...4-Й эксперимент;

У1к 8,90 + 1.95Х, + 1,17Хг ♦ 1,36Х3 + О^Х^ » ОЛЬХ^ i 0,64<Х^ - 0,725) - 0,81<х| - 0,725),

У2К = 12,8 + 4Хп + 2.21XJ + 2,93Хз + О.бЬХ^д * 0,96Х1Х3 0,84(Х^ - 0,725) - 1.03(х| - 0,725),

Узк - 9,35 + 3.57Х, + 1,54X3 + 1.34X3 + 0,в4Х,Хг + 0,34X^3 1 0,73X5X3 - 1,-18<Х* - 0,725) - 0,64 (Х^ - 0,725). .

• У4К - 18,79 + 3.5Х, + 2,37X2 + 3,36X3 - 1,23 (Х^ - 0,725).

Для монтмориллонит^ 1...4-Й эксперимент;

У1М - 8,70 + 2.25Х, + 0,70X2 +■ 1,62X3. + 0,23X^2 f 0,54Х,ХЭ , 0,75 (Х^ - 0,725) - 0,70(х| - 0,725) - 0,33(XÍj - 0,723 /,

у2м ^ 14,70 + 3<02х1 + .1.67x2 * i.75x3 + 0.61 (x? - 0.7¿3) 0,9э(х^ - 0,725).

Узм = 11 ,24 + 4.26Х, + 1,93Х2 4 2.20X3 + 1,82X^2 + 1,50X^3 1,23(Х^ - 0,725) t 0,73(Х^ - 0,725).

У4М - 19,40 + 2,60Х1 + 4.04X2 + 4.09X3 - 1,99(х| - 0.725) i 1,68(Хз - 0,725).

С повышением содержания в смеси cqo поглощение последит'-, величииается, а степень поглощения сни-лется. Наиболее резко сте-ень поглощения уменьшается при увеличении содержания Cao до Зо окв/г глины и далее снижается незначительно (рис. 1), Это говорит том, что наиболее эффективное использование cao в реакции обеспе-ивает содержание Cao менее 30 мэкв/г глины. Повышению поглощении и тепени поглощения Cao способствует также рост температуры.

Кинетика взаимодействия свидетельствует о том, процесс ¡югло-эния извести идет наиболее интенсивно в первые 20 мин гидритер элыюй обработки. Затем скорость реакции замедляется и в течении зеле думце го периода автоклавирования остается постоянной.

11э рис. 2 представлены диаграммы влияния содержания оксидь ¡лышя и температуры на условную константу скорости реакции, рас-шганну^ по уравнении Ерофеева-Колмогорова. Увеличение содержании

Диаграмм» распределения величин степени поглощения СаО от содержания СаО и температуры при' времени

■гидротермальной обработки 19 мин ч

образин на основе, каолинита образцы на основе монтмориллонита

Рис. 1

Со о приводит к уменьшению константы скорости реакции. Наиболее резкое снижение значения Кс происходит в области концентраций со о 15...30 мэкв/г глины. Следовательно, благоприятные кинетические параметры реакции обеспечивает содержание СаО до 30 мэкв/г глины.

Каолинит имеет в своем составе высокое содержание глинозема, напротив, у монтмориллонита повышенное содержание кремнезема. Этот, состав глинистых минералов обусловливает преимущественное образование гпдрогранатов для каолинита и гидросиликатов для монтмориллонита.

.В начальный период гидротермальной обработки значения констант скорости реакции для каолинита выше, чем для монтмориллонита. Это можно объяснить тем, что синтез гидрогранатов, из которых в основном состоят продукты реакции каолинита, проходит быстрее и при более низкой температуре, чем гидросиликатов. В последующий период гидротермальной обработки, с увеличением количества новообразований , в реакции усиливается роль диффузионных процессов. В этот по-

Диаграммы распределения величин константы скорости реакции от содержания саО и температуры в интервале времени гидротермальной обработки 48...222 мин

образцы на основе каолинита образцы на основе монтмориллонита

Рис. 2 -

риод константы скорости'реакции для монтмориллонита выше (рис. 2), так как диффузия СаО через слой новообразований, представленных гидросиликатами,- проходит быстрее.

В исследованном интервале времени полного разрушения глин и максимального . насыщения ими СаО не достигается. Поэтому, было исследовано взаимодействие глинистых минералов с Cao в течение 8 час при температурах автоклавирования 120, 150 и 180°С. При температуре 180°С каолинит достигает предельного насыщения Cao 28, а монтмориллонит зо мэкв/г глины. Снижение температуры уменьшает предельное насыщение cao и в образцах остаются неразрушенные глинистые минералы.

Состав и структура кристаллической решетки каолинита и монтмориллонита сильно различаются, однако максимальное поглощение ими Cao при гидротермальной обработке приблизительно одинаково. Можно предположить, что содержание cao в пределах 28...30 мэкв/г глины достаточно для по.таого взаимодействия с ним и других видов глинистых минералов.

С учетом результатов этих исследований предложена методика расчета состава известково-глинистого вяжущего для производства автоклавных силикатных материалов, которая основывается ira том, что для полного разрушения глинистых минералов и обеспечения оптимальных кинетических параметров реакции количество Cao, приходящееся на глинистую фракцию, должно составлять, 28...30 мэкв/г глины.

Спецификой глинистых пород незавершенной стадии глинообразова-ния является наличие в их составе термодинамически неустойчивых Соединений. Благодаря особенностям генезиса исходные материнские породи разрушались, за счет их минералов образовались новые соединения, в том числе и большое количество свободного кремнезема. При атом, алюмосиликаты характеризуются переменным химическим составом и несовершенной структурой кристаллической решетки, а поверхность кварца п различной степени корродирована. .

Таким образом, природные процессы выполнили часть работы по дезинтеграции породи, что привело к увеличению энергетического потенциала породообразующих минералов. Это ускорит в гидротермальных условиях процесс их разрушения с образованием цементирующих соединений и приведет к снижению расхода энергоносителя при производстве плотных и ячеистых автоклавных,силикатных материалов. Это явилось ос нов н.ой научной гипотезой данных исследований.

Учитывая сложный минеральный .состав глинистых пород незавершенной стадии глинообразова'ния необходимо было изучить влияние породообразующих минералов глин на процессы гидротермального твердения пзвестково-песчаных материалов.

В четвертой главе представлены результаты исследования влияния глинистых минералов, а также совместной добавки глинисты?, минералов и тонкодисперсного кварца, на прочность силикатных образцов и состав цементирующих соединений.

Экспериментальные данные по изучению влияния каолинита и монтмориллонита на свойства известково-песчаннх материалов "показали, что при содержании глинистых минералов в пределах 5... i ose наблюдается .первоначальное снижение прочности (рис. з).

Это происходит в ' результате неполного связывания гидроскида кальция, и соответственно, уменьшения количества- цементирующих соединений. При увеличении содержания глины, как показали термографические и рентгенографические исследования, свободный Са(он)2 исчезает и появляётся несвязанная глина (рис. 4).

- и -

Физико-механические свойства известково-песчаных материалов в зависимости от содержания глинистых минералов

2,00 ■ в

о (—. X

» I ,90 • 3

л и

о и

о и

о I ,60 • * а.

д с

ц А

5 1,70 ■ О О

ч 4! У

О I 60 8. с

10 20 30 40 Содержание глины, %

Услонн. обозначения: 1 - каолинит, » • предел прочности при сжатии,

Рис. 3

монтмориллонит; э- средняя плотность.

Термограммы (а) и рентгенограммы (б) образцов с добавками касглинита и монтмориллонита

б) ;

а)

гоо 400 600 600 1осо

Температура, °С

«5«

, ^ й й'8 н* "

<41 Со «¿¡•И<\<>'>5»

0 ... ~

3

Услов.ч. обозначения: 1,2 - каолинит, 3,4 - монтмориллонит; -одеряание глины: 1,3 - 5!?, 2,4 ■ 20-?.

Рис. 1 '

Более высокая прочность образцов на основе монтмориллонита I сравнении с каолинитом связана с тем, что в составе цементирующей соединения образуются главным образом низкоосновные гидросиликат! кальция.

Изучение микрофотографий шлифов образцов показало, что в из-вестково-песчаных материалах практически все зерна кварца во многих местах корродированы и покрыты слоем новообразований. В образцах же с глиной поверхность крупных и средних размеров кварца не затронута коррозией. Взаимодействует только часть мелких зерен кварца'.

Исходя из этого можно сделать вывод, что в. известково-песчаной смеси в присутствии глинистых минералов образование цементирующего соединения идет преимущественно за счет взаимодействия гидроксидЗ кальция с .глинистыми минералами и частично с тонкодисперсным квар' цем. Крупнодисперсный кварц с известью практически не реагирует.

Для уточнения роли тонкодисперсного кварца в этом процессе было исследовано влияние совместных добавок, глинистых минералов й тонко дисперсного кварца фракции менее 0,003 и 0,01-. ..0,04 мм. Первая-фракция интересна тем, что соизмерима с размерами глинистых минералов, а вторая, при введении в известково-песчаную массу, обеспечивает самую высокую прочность силикатных материалов.

Эти исследования показали, что оптимальное содержание тонко-дасперсного кварца в глинистой породе составляет 50...7056.. Именно в этих пределах тонкодисперсный активный кварц содержится в глинистых поре, х незавершенной стадии глинообразования. Такая композиция, подготовленная природными процессами, при введении в известково-песчаную смесь обеспечивает максимальное повышение прочности и полное разрешение глинистых-минералов, что окажет положительное влияние на долговечность силикатных изделий.'

При этом необходимо учитывать', что содержание породы должно быть более 1056. так как меньшее его количество в составе сырьевой смеси силикатных материалов #ожет оказать отрицательное влияние ну прочность готовых изделий.

' ' Из полученных результатов исследований можно заключить, что содержание глины, не отвечающее стехиометрическому соотношению с известью, т.е. недостаток ицп избыток, может оказать вредное влияние на прочностные свойства силикатных'изделий.

В связи с этим, приставляется необходимым корректировка в ОСТ ai-1-00 "Песок для производства силикатных изделий автоклавного твердения" пункта, согласно которому пылевидные, илистые и глинистые частички размером менее o,D5 мм объединены одним ограничением и

их содержание в песке для силикатного кирпича должно составлять не более 25Я. Исходя из полученных нами данных и Оолее высокое содержание тонкодисперсного кварца обеспечивает образцам высокую прочность. Поэтому можно исключить ограничения на содержание в сырье пылевидных частичек кварца.

Допустимое содержание равномерно распределенных в песке глинистых минералов, исходя из стехиометрического взаимодействия с вводимой в сырьевую массу известью, можно рассчитать по предлагаемой формуле:

где о - допустимое содержание равномерно распределенных в песке глинистых минералов, С - содержание извести в сырьевой смеси, %; н - предельное насыщение глины известью, мэкв/г.

Результаты экспериментальных данных, полученных на глинистых «шералах, нашло свое подтверждение при изучении глинистых пород 1ромышленных месторождений.

В пятой главе приведены результата исследования по получении :иликатных материалов гидротермального твердения на основе извест-(ово-глшшстого вяжущего и продуктов выветривания сланцев серицит-(варц-биотитового состава. Эксперименты проводились по получению сак плотных, так и ячеистых силикатных материалов.

Изучено влияние содержания глинистых пород и сланцев на предел 1рочиости при сжатии, среднюю плотность и водопоглошение. Содержа-<ие активной СаО в сырьевых смесях состав ляло 4 и в%. Образцы запа хвались по режиму 1,5-6-1,5 ч при давлении пара 1 МПа.

Установлено, что при содержании глины !ч..10Х предел прочнос-при сжатии снижается. С дальнейшим увеличением содержания глины рочность повышается и достигая максимума снова снижается. Величина ачального падения прочности проявляется тем больше, чем выше ак-пвность массы.

Па рис. 5 показано влияние сугЛинка Лебединского месторождении а физико-механические характеристики силикатных материалов. Вели -ина содержания глины, соответствующая максимальной прочности, сос авляет 50 (4?6 cao) и зо% (8$ саО). Прочность образцов, содержащие % Cao, попытается с '7,6 до 25,1 МПа (в ;,J раза), а'для образцов, одержэщих fi% cao, прочность повышается с ¿0 до j:í МПа (. 1,в рз-

Физико-механические свойства силикатных материалов -в , " зависимости от содержания суглинка Лебединского месторождения

15 ^It g».

ím

■б'тт

И;

§10 ю

б

а) . 2.1

£2,0

SI.9

О X

|х.в

«

§1.7 £-1.6

X

s30

с

«3

к

о

о. 20

glO

X У о

гё" 0

/э

V

ъ

б)

80 100

20 40 ■ 60 80 100

•Содержание глины, % Условн. обозначения: а - л% cao, б - е% cao, 1 - предел прочности при сжатии, 2 - средняя плотность, 3 - водопоглощение.

Рис. 5

за). При содержании глины в количестве Ь% [В% Cao) наблюдается неэ-нач, ельное снижение прочности.

i'oct прочности образцов происходит в результате образования более прочной.микроструктуры цементирующего вещества за счет увеличения плотности упаковки материала, а также появления гидрогранатов. которые . являются микронаполнителем в субмикрокристаллической гелевидной фазе из низкоосновных гидросиликатов кальция. Рост средней плотности и связанное с этим формирование более плотной упаковки приводит к снижению водопоглощения. Это подтверждается тем, что образцам с максимальной средней плотностью соответствует минималь-. ное водопоглощение.

Добавки глин повышают прочность сырца в 2...4 раза. Это является довольно существенным фактором в .процессе формования изделий, в частности для сокращения брака, а также обеспечивает возможность изготовления пустотелого, кирпича, камней и блоков.

Полученные данные указывают.на возможность сокращения продолжительности гидротермальной обработки в 2...3 раг.а при производстве материалов на основе изучаемого сырья.

Силикатные материалы на основе известково-глинистого вяжущего рошли испытания- на долговечность, которая оценивалась по мороэо-гойкости, воэдухостойкости, солестэйкости и устойчивости к карбо-г1оЭции. Морозостойкость, в зависимости от активности массы и вре-зни автоклавирования, колеблется от 35 до 50 циклов и выше.

Установленные закономерности проявляются и при изучении проектов начальной стадии выветривания алюмосиликатных пород. Найбо-;е высокое повышение прочности обеспечивают исходный серицит-iapn-биотитовый и сланец начальной стадии.выветривания. Прочность 5разцов на основе сланца начальной стадии выветривания выше, чем i основе исходной породы за счет образования более прочного цементующего вещества, обусловленного увеличением содержания CSH(B) и штезом гидрогранатов.

Изменение состава новообразований обусловлено тем, что в танцах начальной стадии выветривания увеличивается содержание нестабильного кварца, а также появляется гидрослюда, которая обра-'вт гидрогранаты, оптимизирующие микроструктуру цементирующего >единения.

Таким образом, геологические процессы выполнили часть работы i деструкции кварца, которая обычно осуществляется на начальной ■алии автоклавирования. За счет применения подобного сырья ускоря-■ся разрушение кремнеземистых компонентов сырьевой смеси и, как юдствие, ускоряется синтез новообразований.

Для получения ячеистых образцов использовали глинистую породу

бединского месторождения. Необходимое минимальное содержание из-

сти в известково-глинистом вяжущем рассчитывали по разработанной

ми методике, которая исходит из полного взаимодействия с СаО гли-

стых минералов и с учетом результатов кинетических исследований.

:числения проводили по формулам: v

_ _ 2800-Р-Н ~ 28-Р'Н+1000А '

' .С'Мс

Mi = таг • .

е с - содержание Cao в известково-глинистой смеси, í<;

Nj - содержание извести в известково-глинистой смеси, г;

р - количество глинистых минералов в глине,

¡I - предельное насыщение глины известью, мэкв/г (28...30);

л - активность извести, %;

М, - масса лзвестково-глинистой смеси, г.

Экспериментальные данные показали, что, наиболее оптимальна; величина содержании извести в смеси-находится в пределах 22...24Ж. Время изотермической выдержки составляет 2,5 час. При этих параметрах на основе известково-глинистого вяжущего получен ячеистый бетон, удовлетворяющий требованиям теплоизоляционно-конструкционного, с прочностью при сжатии 2...3,5 МПа при средней плотности 500...80С кг/м3. Морозостойкость составляет не менее 15 циклов. Для повышения эксплуатационных характеристик ячеистых бетонов возможна замена части извести на цемент. При этом повышаются прочность и морозостойкость изделий.

В шестой главе приведена технология производства плотных и ячеистых силикатных материалов с использованием нетрадиционных для стройиндустрии глинистых пород.

Производство силикатного кирпича включает в себя предварительную подготовку глины (подсушка, дробление), приготовление известко-во-глинистого вяжущего путем совместного помола извести и глины в шаровой мельнице, получение сырьевой смеси и далее по обычной технологии.

Технология производства материалов ячеистой структуры отличается от традиционной заменой помола кварцевого песка на мокрую дезинтеграцию глинистых пород, смешиванием с молотой известью, последующим гашением и далее по традиционной технологии.

Предлагаемая технология позволяет за счет отказа от помола кварцевого песка и уменьшения времени изотермической выдержки сократить энергозатраты на производство силикатного кирпича на 20...25; и ячеистобетонных изделий на 35...40Я.

* ОСНОВНЫЕ выводы

1. Исследованы состав и свойства попутно добываемых глинистых пород КМА различного генезиса. Установлено, что в.качестве энергосберегающего сырья для производства силикатных материалов автоклавного твердения следует использовать отложения начальной стадии процессов глинообразования, которые состоят из метастабилышх минералов несовершенной структуры и тонкодисперсного кварца, что позволит сократить расход энергоносителя и улучшить прочностные показатели. Рост прочности силикатных материалов происходит в результате образования более прочной микроструктуры цементирующего вещества за счет увеличения плотности упаковки материала, а также появления гидроГранатов, которые являются микронаполнптелем в субмикрокрпс-

аллической гелевидной фазе из низкоосновных гидросиликатов кальция.

2. Получены математические модели, описывающие влияние содер-аннл cao, времени и температуры на поглощение.оскида кальция као-шгитом и монтмориллонитом в условиях гидротермальной обработки, аиболее интенсивно процесс взаимодействия Cao с глинистыми минера-ами идет в первые 2р мин гидротермальной обработки. Оптимальные инетические параметры реакции с глинистыми минералами обеспечивают олержание cao до 30 мэкв/г- глины.

3. Предельное насыщение каолинита и монмориллонита оксидом альция составляет соответственно 28 и 30 мэкв/г. глины, близкие начения предельного поглощения cao этими минералами при существен-ом различии их составов и структуры кристаллической решетки позво-яет утверждать, что содержание СаО в пределах 20...30 мэкв/г глины рстаточно для полного взаимодействия с ним и других видов глинис-нх минералов.

4. Для производства силикатных материалов автоклавного твер-:ення предпочтительнее использовать глинистые породы, в составе оторих содержатся глинистые минералы с большим содержанием кремне-ема, за счет чего обеспечивается преимущественное образование низ-'оосновных гидросиликатов кальция.

5. На основе результатов кинетических исследований взаимодей-твия глинистых минералов с гидроксидом кальция в гидротермальных слпвиях предложена методика расчета рационального состава сырьевых месей для силикатных материалов автоклавного твердения с исполь-.ованием изпестково-глинистого вязяуиего, в основу которой полотно условие полного разрушения глинистых минералов и обеспечение 'птичэльных кинетических параметров реакции. Для этого, необходимое :оличество cao, приходящееся на 1 г глинистых минералов, должно оставлять в пределах 28...30 мэкв.

6. Установлено, что в известково-глино-песчаной смеси, с из-¡естыо реагируют преимущественно глинистые минералы, что оказывает 'пределявдее влияние на процессы синтеза новообразований. Тонкодис-[ерсный кварц ли^ъ частично вступает в реакцию с образованием 1изкоосновных гидросиликатов кальция типа CSH(B). Реакционной спо-обностью в этих условиях кварц обладает в том случае, если его исперсность составляет менее 0,005 мм; С увеличением размеров зе-)ен кварца реакционная способность его уменьшается.

7. сптичзл! >пе содержание тонкодисперсного кварца в глинистой юроде состав.;.:;: ь:)...70%. В таких пределах тонкодисперсный актив-шй кварц ссдер.птсл в глинистых породах незавершенной стадии

глинообразования. Такая композиция, подготовленная природными процессами, при введении в известково-песчаную смесь обеспечивает максимальное повышение прочности и полное разрушение глинистых минералов, что оказывает положительное влияние на долговечность силикатных изделий.

8. В ОСТ 21-1-80 "Песок для производства силикатных изделий автоклавного твердения" необходима корректировка пункта, согласно которому пылевидные, илистые и глинистые частички размером менее 0,05 мм объединены одним ограничением и их содержание в песке для силикатного кирпича должно составлять не более 25*. Показано, что можно исключить ограничения на Содержание в сырье пылевидных частичек кварца. Предложен метод расчета допустимого содержания равномерно распределенных в песке глинистых минералов.

9. С учетом предложенного метода расчета состава известково-глинистого вяжущего и оптимизации сырьевой смеси, новизна которого подтверждена авторским свидетельством, разработана технология получения плотных и ячеистых силикатных материалов на основе известко-во-гл*.чистого вяжущего, позволяющая за счет отказа от помола кварцевого песка и уменьшения времени изотермической выдержки сократить энергозатраты на производство силикатного кирпича на 20...25* и ячеистобетонных изделий на 30...35*.

СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Терещенко А.П., Володченко А.Н., Лесовик B.C. Глинистые породы Курской магнитной аномалии, повышающие механическую прочность автоклавных силикатных изделий //Химия и технология строительных материалов. -М.. 1982. -с. 111-119 (Сб.тр./МИСИ.БТИСМ).

2. Терещенко А.П., Володченко А.Н., Лесовик B.C. Влияние песчаной монтмориллонит-каолинитовой глины на свойства автоклавных силикатных образцов//Физико-химия строительных материалов. -М.. 19BJ. -с. 33-38 (Сб.тр./МИСИ.БТИСМ).

3. Терещенко А.П., Володченко А.Н., Лесовик B.C. Влияние гид-рослюдисто-каолинитовых выветрелцх сланцев на свойства автоклавных силикатных материалов//Техногенные продукты и совершенствование технологии вяжущих. -М., 19бЗ. -С. 94-98 (Сб.тр./МИСИ.БТИСМ).

4. Кузнецов А.П., Лесовик B.C., Володченко А.Н. Вещественный состав, Генетическая классификация и технологические свойства глинистых пород Курской магнитной аномалии //Техногенные продукты и , совершенствование технологии вяжущих. Там же, -с. 99 1U.

5. Володченко А.Н. Влияние добавок глинистых пород КМА на пойства автоклавных силикатных материалов//Тез. докл. I конферен-;ии молодых ученых и специалистов. -Белгород, 1983. -с. 11-12.

6. Лесовик B.C., Белых В.Н., Клекль В.Н., Володченко А.Н., оновалов H.A. Состав и свойства выветрелых сланцев как сырья для роизводства строительных материалов//Использоваиие нерудных ресу_р-ов железорудных предприятий для производства строительных материа->Ш. -М.. 1983. -С. 12-18 (Сб.тр./МИСИ.БТИСМ).

7. Кузнецов А.Н., Лесовик B.C., Володченко А.Н. Генетическая лассификания, вещественный состав и применение в стройиндустрии f?cков 1Ш//Совершенствование химии и технологии страительных мате-иалов. -М,. 1904. -с. 164-179 (Сб.тр./МЮ.БТИСМ).

8. Терещенко А.П., Лесовик B.C., Воронцов В.М., Володченко А.Н. зкришные породы КМА - сырье' для автоклавных силикатных материалов /Инф. ВНИИЭСМ: Промышленность строительных материалов. Сер. 2.

:пользование отходов, попутных продуктов в производстве строитель-jx материалов и изделий. Охрана окружающей среды. ~М., 1985. Знп. 7. -с. 10-14.

9. Лесовик B.C., Володченко А.Н., Нестерцов А.И., Белых В.И., нювалов H.A. Использование глин Курской магнитной аномалии в юи.зводстве строительных материалов//Глины, глинистые минералы и с использование в народном хозяйстве. Материалы 13 Всесоюзного шещания. -Алмэ-Ата. -М., 1985, с. 192.

10. Володченко А.Н., Терещенко А.П., Лесовик B.C. Изменение фаски и физико-механических свойств силикатных материалов за |ет введения добавок вскрышных глин КМА//Комплексное использование 'рудного минерального сырья и'побочных продуктов промышленности 1я производства строительных материалов. -М., 1985. -с. 132-138 :б.тр./Ш!СИ,БТИСМ.).

11. Володченко А.Н., Терещенко А.П., Лесовик B.C. Улучшение ойств силикатных материалов гидротермального твердения ■ путем едения попутно добываемых глин КМА.//Пути использования' вторичных сурсов для производства строительных материалов и изделий. Тез. кл. Всесоюзного совещания. -Чимкент, 1986. -Г. 2. -с. 897-898.

1г. Володченко А.Н., Воронцов В.М. Влияние добавки пылевидной акции полученной при дроблении сланцев на свойства автоклавных ;,ш<аткж матерко.г.сБ//С,изико-химические основы производства строи-лышх материалов. -М., 1985. -с. 31-36 (Сб.тр./МИСИ.БТИСМ)•

13. Володченко АЛ!., Лесовик B.C. Четвертичные глины К1.1А -рье для производства автоклавных силикатных материалов.//Ускоре-

ние научно-технического прогресса ' в промышленности строительных материалов и строительной индустрии. Тез. докл. Всесоюзной конференции. -Белгород, 1987. -ч. 3. с. 112-113, *

14. Володченко А.Н., Воронцов В.М., Лесовик B.C. Автоклавные силикатные материалы из отходов КМА//Использование вторичных ресурсов и местных строительных материалов на предприятиях стройиндуст-рии. Тез. докл. н.-т. конференции,- -Челябинск, 1987. -с. 84-85.

15. Володченко А.Н. Влияние добавки глин на время гидротермального твердения силикатных материалов //Тез.докл. з н.-т. конференции молодых ученых и специалистов. -Белгород, 1987. -с.9-ю.

16. Лесовик B.C., Володченко А.Н.. Коновалов H.A. Глинистые породы - сырье для строительных материэлов гидротермального синтеза //Глинистые минералы и порода, их использование в народном хозяйстве. Тез. докл. 14 Всесоюзного совещания. -Новосибирск, 1988. -ч. 2. -с. 20.

17. Володченко А.Н., Лесовик B.C., Сергиенко E.H. Взаимодействие каолинита с гидроксидом кальция в гидротермальных условиях //Энергосберегающая технология строительных материалов. -Белгород, 1988. -С. 128-132 (Сб.тр./БТИСМ).

18. Володченко А.Н., Лесовик B.C.,. Сергиенко E.H. Кинетика взаимодействия глинистых минералов с гидроксидом кальция в гидротермальных условиях//Физико-химические проблемы материаловедения и новне технологии. Тез. докл. Всесоюзной конференции. -Белгород, 199.* -Ч. 10. -С. 62м

19. Лесовик B.C., Володченко А.Н.,• Ельцова В.А. Ячеистый бетон на осиоле изв.естково-глинистого вяжущего.. Там же, -ч. 11. -с. 81.

•20. Володченко А.Н. Метод расчета оптимального состава силикатных бетонов на осноЕе известково-глинистого вяжущее/Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций. Тез. док-л. Международной конференции. -Белгород, 1993. -ч. 2. -С. 41. '

21. Лесовик B.C., Володченко А.Н. Энергосберегающее сырье для производства автоклавных материалои//11роблема добычи, переработки и использования минерального сырья в промышленности строительных материалов. Сб. докл. VII совещания работников нерудной промышленности. -М., 1994. -с.' 146-150.

22. Лесовик B.C., Володченко А.Н. Строительные мзтериалы автоклавного' твердения из некондиционных глин//Со'времишше проблемы строительного материаловедения. Материалы к Международной конференции. -Самара 1995. -ч.4. -с. 15-ia.

23. Володченко А.Н., Лесовик B.C. (Закономерности взаимид..« ;тбия "глинистых минералов с гидроксидом кальция в гидротермальные гсловиях //Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных «атериалов, изделий и конструкций. Тез. докл. Международной кинф-->енции. -Белгород, 1995. -ч. 1. -с. 23-24.

24. Лесовик B.C., Володченко А.Н. Кинетические характернаiauu (заимодействия глинистых минералов с гидроксидом кальция в гидротермальных условиях/ЛТроблемы строительного материаловедения и по ше технологии. Межвузовский тематический сборник научных трудов. -Белгород, 1995. -4.1. -С.60-85.

25. A.c. 1716440 СССР, МКИ 5 0 01 N 33/38 Способ определения штимэльного количества вяжущего при производстве автоклавных :иликатных материалов //В.С.Лесовик, В.М.Воронцов, А.Н.Володченко ! др. - Я 4827266/33, Заявл. 15.05.90! Опубл. 29.02.92; бЮЛ.9 О :7с.