автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Закладочные смеси на основе техногенных песков

На правах рукописи

7

ЛЕСОВИК Галина Александровна

ЗАКЛАДОЧНЫЕ СМЕСИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ПЕСКОВ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

19.ДЕК 2013

005544080

Белгород —2013

005544080

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

— кандидат технических наук, доцент Агеева Марина Сергеевна

— Воронин Виктор Валерьянович

доктор технических наук, профессор Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет», профессор кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов

— Усачев Сергей Михайлович кандидат технических наук, доцент кафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Ведущая организация — Федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

Защита состоится "27" декабря 2013 года в II00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, ауд. 242 г.к.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова».

Автореферат разослан " 27" ноября 2013 г.

Ученый секретарь __

диссертационного совета

д-р техн. наук, проф. _Г.А. Смоля го

Научный руководитель Официальные оппоненты

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время на территории Курской магнитной аномалии (КМА) при разработке месторождений железных руд подземным способом применяются системы с последующей твердеющей закладкой. Технология твердеющей закладки выработанного пространства позволяет решить сразу три проблемы — сохранить окружающую среду, дать значительный экономический эффект и сделать подземные работы безопасными. Однако постоянное увеличение глубины разработки месторождений железистых кварцитов и богатых железных руд, усложнение горногеологических и горнотехнических условий их эксплуатации, увеличение отходов горно-обогатительного производства служат предпосылкой для все более широкого распространения различных вариантов систем разработки с закладкой выработанного пространства, что в значительной мере определяет эффективность отработки месторождений.

Наиболее сложным моментом, связанным с применением твердеющей закладки, является правильный выбор ее состава, применительно к конкретным условиям и материалам. В свете вышесказанного проблема эффек-ч тивного использования отходов горно-обогатительного производства является весьма актуальной.

Усовершенствование технологии приготовления и транспортирования закладочной смеси, а также использование в качестве вяжущих и заполнителей дешёвых материалов, какими являются промышленные отходы, позволяет значительно снизить затраты, связанные с выполнением закладочных работ. Поэтому в данной работе для производства закладочнных смесей было предложено применять тонкомолотое композиционное вяжущее (КВ) на основе техногенного сырья КМА.

Диссертационная работа выполнена в рамках реализации ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы и программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012 -2016 годы.

Цель работы: разработка эффективных закладочных смесей с использованием композиционных вяжущих на основе цемента, техногенного сырья КМА и добавок.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование минерального состава и физико-механических свойств техногенных песков: отходов мокрой магнитной сепарации (ММС) железистых кварцитов, доменных гранулированных шлаков ОАО «Новолипецкого металлургического комбината» («НЛМК») как компонентов композиционного вяжущего и закладочной смеси;

- разработка составов композиционных вяжущих и изучение их свойств;

- проектирование состава закладочных смесей на основе композиционных вяжущих;

- исследования реологических и физико-механических характеристик закладочных смесей, приготавливаемых по помольно-смесительной технологии с применением композиционных вяжущих;

- разработка нормативно-технической документации и внедрение результатов исследований.

Научная новизна. Предложены принципы повышения эффективности закладочных смесей для заполнения выработанного пространства при разработке месторождений полезных ископаемых, заключающиеся в использовании тонкомолотого композиционного вяжущего на основе цемента, отходов ММС железистых кварцитов, доменных гранулированных шлаков и добавки, полученного последовательным помолом всех составляющих компонентов, что вследствие комплексного синергетически усиленного влияния наполнителей, а также гетерогенного гранулометрического состава вяжущего будет оказывать направленное воздействие на формирование структуры композита, уплотняя и упрочняя его.

Установлен характер зависимости морфологии поверхности, размера и характера поверхности частиц композиционных вяжущих от времени помола компонентов. Выявлена наиболее эффективная продолжительность помола, при которой наблюдается усреднение зерен вяжущих при незначительном вкраплении более крупных агрегатов за счет разрушения как зерен наполнителя, так и цемента. При этом крупные частицы техногенного песка, представленные в основном контактово-метаморфическим кварцем, способствуют интенсификации помола вяжущего, выступая своеобразными дополнительными мелющими телами, а сами зерна ММС приобретают окатанную кубовидную форму, повышая плотность упаковки смеси.

Показано, что оптимизация процессов структурообразования композиционных вяжущих происходит за счет последовательного роста новообразований при твердении системы «клинкерные минералы-кварц различного ге-незиса-шлак-вода-суперпластификатор», обусловленного разной

интенсивностью и временем взаимодействия полигенетического кварца и частичек шлака с продуктами гидратации клинкерных минералов. Халцедо-новидная, реагионально метаморфизованная, а также частично динамо-метаморфическая генерации кварца отходов ММС железистых кварцитов интенсивно связывают гидроксид кальция в мелкокристаллические нерастворимые гидросиликаты кальция, а контактово-метаморфическая разновидность и более крупные частицы шлака выступают подложками и центрами кристаллизации, что в целом способствует уменьшению количества дефектов, снижению кристаллизационного давления и оптимизации структуры материала.

Ппактическая значимость работы. Разработана помольно-смесительная технология производства закладочной смеси с использованием композиционных вяжущих на основе техногенного сырья КМА.

Предложены составы композиционных вяжущих с оптимальным соотношением доменного шлака и отходов ММС железистых кварщггов, позво-

ляющие снизить расход клинкерной составляющей на 80% при обеспечении достаточной для производства закладочных смесей активности вяжущего.

Разработаны и испытаны составы твердеющих закладочных смесей на основе композиционных вяжущих с применением в качестве мелкого заполнителя отходов ММС железистых кварцитов и отсева дробления кварцито-песчаника; характеризующиеся однородной консистенцией и высокой подвижностью, что исключает возможности расслоения смесей, закупорки бетоновода и недозакладки пустот в горных выработках.

Внедрение результатов исследований. Результаты работы внедрены при получении закладочной смеси на основе композиционного цементо-шлакового вяжущего и техногенных песков КМА.

Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы при производстве закладочных смесей разработаны следующие нормативные документы:

- рекомендации по технологии изготовления закладочных смесей с использованием композиционного вяжущего на основе отходов ММС железистых кварцитов и доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК»;

- стандарт организации СТО 02066339-008-2013 «Композиционные вяжущие на основе отходов ММС железистых кварцитов и доменных гранулированных шлаков ОАО «HJ1MK».

Теоретические положения диссертационной работы и результаты экспериментальных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106.65 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»; бакалавров по направлению 270800.62 «Строительство»; магистерских программ «Технология производства строительных материалов, изделий и конструкций» и «Инновации и трансфер технологий».

Апробаиия работы. Основные положения диссертационной работы представлены на Международном студенческом форуме (Белгород, 2006); Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов вузов «Эврика» (Новочеркасск, 2008); Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндусгрии» (Белгород, 2007); VII Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2007 (Москва, 2007); XVIII Менделеевской конференции молодых ученых (Белгород, 2008); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2008); Международной конференции с элементами научной школы для молодежи (Якутск, 2009); 2-й Международной научно-практической конференции (Брянск, 2010); Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, МГСУ, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (Белгород, 2011); VIII Международной научно-практической конференции «Научное пространство Европы - 2012» (Przemyál, (Польша), 2012);

Международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2012» (Одесса, 2012); XVI и XVII Международной заочной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2012 и 2013).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 8 научных публикациях, в том числе в 4 статьях в центральных рецензируемых изданиях, 1 монографии. Имеется ноу-хау, а также патент 1Ш 2422640 С1 на состав закладочной смеси.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, включающего 28 таблиц, 35 рисунков и фотографий, списка литературы из 162 наименований, 3 приложений.

Па защиту выносятся:

- принципы повышения эффективности вяжущих для производства закладочных смесей;

- минеральный состав и физико-механические характеристики отходов ММС железистых кварцитов и доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК» и составы композиционных вяжущих на их основе;

-зависимости физико-механических характеристик композиционного вяжущего от удельной поверхности наполнителя, времени совместного помола его компонентов, способа приготовления вяжущего, соотношения между вводимым доменным гранулированным шлаком и отходми ММС железистых кварцитов;

- составы закладочных смесей на различном заполнителе;

- технология производства закладочной смеси с использованием композиционного вяжущего на основе доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК» и отходов ММС железистых кварцитов;

- результаты внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Анализ многолетнего опыта применения систем с твердеющей закладкой показывает, что ее использование позволяет успешно решать многие технические и организационные вопросы: сократить объём горнокапитальных работ, вовлечь в эксплуатацию новые участки со сложными гидрогеологическими условиями, сократить площадь изымаемых из сельскохозяйственного оборота земель, существенно снизить запылённость окружающей территории от хвостохранилшц. Выполнение закладочных работ сокращает потери руды на 15 — 20%, что дает большой экономический эффект при разработке месторождений и позволяет в короткие сроки окупить затраты, а также утилизировать отходы обогащения.

Специфические условия многих месторождений, вовлекаемых в подзем-

ную отработку системами с закладкой выработанного пространства требуют неординарного подхода к решению комплекса сложных технологических, организационно-технических и технико-экономических задач по обоснованию оптимальных составов твердеющих смесей, технологии их приготовления и формирования искусственных массивов.

Для снижения затрат на производство таких смесей необходимо использовать в их составе дешевое местное сырье и промышленные отходы. Рабочей гипотезой данного исследования явилась возможность получения закладочных смесей на основе композиционного вяжущего с использованием цемента, техногенного сырья КМА и добавок.

При производстве строительных материалов нового поколения необходима общая концепция целенаправленного синтеза новообразований и создания микроструктур, для чего необходима разработка методологии их изучения, описания и статистической обработки.

Исследования вещественного состава сырьевых материалов, синтезированных вяжущих, а также закладочных смесей на их основе включали определение химического и минерального составов методами дифференциально-термического и рентгенофазового анализа. Для проведения растровой электронной микроскопии (РЭМ) использовали микроскоп MIRA 3 LM. Гранулометрический состав материалов определяли методом лазерной гранулометрии на установке MicroSizer 201. Удельную поверхность сырьевых и вяжущих материалов определяли методом газопроницаемости на приборе ПСХ-2. Определение физико-механических характеристик сырьевых и синтезированных материалов проводилось по стандартным методикам согласно ГОСТам.

Известно, что наряду с такой важной характеристикой вяжущего как величина площади удельной поверхности стоит и такой показатель как гранулометрический состав. Содержание частиц определённой величины может существенно сказываться на активности вяжущего. Очень важно обеспечить наиболее оптимальный гранулометрический состав вяжущих для получения максимальной плотности и прочности бетонов на их основе.

Основной особенностью техногенных песков, применяемых для производства композиционных вяжущих, является их химико-минеральный состав. Так, природные пески представлены преимущественно кварцем, а техногенные включают в свой состав различные минералы. Несмотря на то, что более низкое содержание кварца в составе техногенного песка вызывает некоторое снижение активности КВ на его основе, полиминеральный состав способствует уменьшению энергоемкости помола вяжущего.

Поэтому для повышения качества комозиционных вяжущих были сформулированы основные закономерности подбора оптимального гранулометрического состава вяжущих (рис.1).

ческого состава вяжущих

Для получения вяжущих были использованы следующие материалы: портландцемент ЦЕМ I 32,5Н ГОСТ 31108-2003 ЗАО «Белгородский цемент», Новолипецкий доменный гранулированный шлак с Мо =1,14 и Ма=0,2 и отходы мокрой магнитной сепарации (ММС) железистых кварцитов с Мк=0,6, добавка Полипласт СП-1 (табл. 1).

Таблица 1.

Химический состав техногенного сырья __

Оксид БЮг АЬОз ИеО СаО МёО БО, К20 Ка20 МпО со2

Шлак 37,1 7,3 0,65 - 41,4 9,4 1,83 0,59 0,35 1,02 -

ММС 77,8 0,57 6,58 7,12 1,5 2,26 0,128 - - - 3,63

Физико-механические свойства используемых техногенных песков связаны со сложным комплексом факторов, важнейшими из которых являются минеральный состав, плотность, водопотребность и другие.

Отходы ММС железистых кварцитов и шлак характеризуются большими значениями показателей водопотребности и истинной плотности, по сравнению с отсевом кварцитопесчаника и природным песком (табл.2).

Таблица 2

Физические свойства используемых техногенных песков

Наименование Шлак ММС Отсев КВП Песок Таволжанский

Плотность насыпная в сухом состоянии, кг/м3 1090 1300 1490 1448

Плотность истинная, кг/м'' 2820 2800 2670 2630

Водопотребность, % 15 24 5,5 7

Модуль крупности 2,71 0,9 3,5 1,38

Известно, что помол различных материалов проходит неодинаково. Ранее установлено, что кварцевый песок размалывается хуже отходов мокрой магнитной сепарации примерно в 3 раза, что можно объяснить большей прочностью зёрен песка, а также полиминеральным составом отходов ММС и содержанием в них кварца различной степени кристалличности: регионально-метаморфогенного, халцедоновидного,образовавшегося за счет метаморфизма зеленосланцевой степени первично осадочных горных пород; динамо-метаморфического, образовавшегося в складчато-метаморфический этап эволюции железистых кварцитов в условиях перекристаллизации; контакгово-метаморфического, образовавшегося за счет высокотемпературного действия при внедрении магмы; а также диагенетического, образованного в условиях осадконакопления в хвостохранилищах.

В то же время шлаки размалываются медленнее, чем цементный клинкер, и при их совместном помоле гидравлический потенциал шлака раскрывается не в полной мере. Поэтому, чтобы иметь возможность полностью проявить свои гидравлические свойства, шлак должен измельчаться более тонко.

В связи с этим раздельный помол вяжущих может быть весьма эффективен, учитывая разную размолоспособность составляющих его компонентов. Однако, на наш взгляд, чрезвычайно проблематично добиться тщательной гомогенизации вяжущего при раздельном помоле и дальнейшем смешивании компонентов. Поэтому представляется целесообразным для получения композиционного вяжущего использовать метод последовательного поочередного введения всех его компонентов при определенном времени помола каждого из них.

В работе были проведены исследования по оценке влияния на активность композиционного вяжущего способа помола: совместный или предложенный последовательный помол его компонентов. Также было исследовано влияние тонкости помола наполнителей и времени их последующего домола с цементом на физико-механические и технологические свойства вяжущих с одинаковым соотношением компонентов.

Отходы ММС железистых кварцитов в количестве 80 % размалывали до различной удельной поверхности (200, 300, 400 м2/кг) в вибрационной лабораторной мельнице, а затем указанные подготовленные компоненты домалывали с портландцементом ЦЕМ I 32,5 Н (20 %) и добавкой СП-1 (0,8%) в тече-

ние различного времени -5,10, 15 мин. (табл.3). Испытания проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 310,4-81.

Таблица 3

Удельная поверхность композиционных вяжущих в зависимости от их состава и тонкости помола техногенного наполнителя

№ п/п Состав, % Время помола наполнителя /время совместного помола, м2/кг Тонкость помола вяжущего, м2/кг

цемент наполнитель

Тонкость помола наполнителя-200 м2/кг

1 100 - - 310

1а 20 80 (ММС) 1,5/5 390

2а 20 80 (ММС) 1,5/10 520

За 20 80 (ММС) 1,5/15 730

Тонкость помола наполнителя-300 м2/кг

16 20 80 (ММС) 4/5 445

26 20 80 (ММС) 4/10 550

36 20 80 (ММС) 4/15 760

Тонкость помола наполнителя-400 м2/кг

1в 20 80 (ММС) 6,5/5 500

2в 20 80 (ММС) - 6,5/10 605

Зв 20 80 (ММС) 6,5/15 850

Установлено, что при минимальной тонкости помола наполнителя происходит максимальный прирост удельной поверхности вяжущего с возрастанием времени их совместного домола. Так, с увеличением времени.помо-ла КВ на отходах ММС 200 от 5 до 10 мин прирост удельной поверхности вяжущего составляет 33 %, а от 10 до 15 мин - 87 %. Тогда как эти же показатели для КВ ММС 300 и КВ ММС 400 сопоставимы между собой и составили 24% и 71 %, и—21 % и 70% соответственно. Это объясняется тем, что при минимальной удельной поверхности наполнителя его разрушение при помоле идет по границам слагающих зерно минералов, поэтому прирост поверхности максимален. Тогда как при более тонком измельчении отходов ММС прирост удельной поверхности вяжущего идет как за счет помола зерен цемента, так и техногенного песка, представленного в основной массе кварцем различного генезиса. '

С увеличением тонкости помола наполнителей от 200 и 300 м2/кг прирост удельной поверхности композиционных вяжущих составил 14%-6%-4% для времени домола 5-10-15 мин. Тогда как при удельной поверхности отходов ММС от 300 до 400 м2/кг такой прирост практически выравнивается для всех вяжущих и составляет уже 12 %-10%-11%. Полученные закономерности можно объяснить, сравнивая характер поверхности и размер частиц вяжущих (рис.2).

В)

Рис.2 Морфология поверхности, размер и характер частиц композиционных . вяжущих, полученных при домоле компонентов в течение: а-5 мин.; б-10 мин.; в-15 мин.

Отходы ММС имеют гетерогенную гранулометрию и развитую шероховатую поверхность частиц.

У вяжущих, полученных при помоле в течение 5 мин., заметно повышенное содержание крупных частиц в большей части остроугольной, несколько вытянутой формы, размером 20-30 мкм, представленных контактово-метаморфическим кварцем. При этом у КВ на основе ММС 400 наблюдается

более плотная упаковка зерен за счет уменьшения размеров частиц наполнителя и увеличения их количества. Что связано с разрушением не только агрегатов минералов, но и частично - породообразующих минералов (рис.2,а). По характеру частичек и их крупности можно предположить, что быстрее будет размалываться халцедоновая разновидность регионально метаморфизованно-го слабоупорядоченного кварца, далее динамо-метаморфического, затем кон-тактово-метаморфического кварца.

При увеличении времени помола до 10 мин. у всех вяжущих наблюдается уменьшение и некоторое усреднение зерен при незначительном вкраплении более крупных агрегатов (рис. 2, б). Происходит помол как зерен наполнителя, так и цемента, которые раскалываются, постепенно истираются и измельчаются, становятся более окатанными. Можно предположить, что крупные частицы отходов ММС способствовали интенсификации помола вяжущего, выступая своеобразными дополнительными мелющими телам,. Интенсивное уменьшение размеров самих этих частиц происходит за счет их полиминерального состава. Особенно активно происходит измельчение и окатывание частиц у КВ ММС 400, мельчайшие частицы которого, местами объединяются в более крупные агрегаты (рис. 2, б).

У вяжущих, полученных при помоле в течение 15 мин., вторичное агрегирование частиц становится повсеместным и наиболее выраженным (рис.2, в). Особенно заметно это явление у КВ ММС 400, в котором мельчайшие частички цемента и регионально метаморфизованного кварца отходов ММС полностью покрывают более крупные агрегаты, представленные в основном контактово-метаморфической генерацией, или собираются в отдельные скопления в виде цепочек, агрегатов шарообразной формы и т.п. При этом значительно сокращается количество крупных включений, размер частиц уменьшается от КВ ММС 200 к КВ ММС 400 (рис.2,в).

С помощью метода математического планирования были получены графики зависимостей прочности вяжущих от удельной поверхности и времени помола (рис. 3). Условия планирования эксперимента представлены в (табл. 4).

Таблица 4

Условия планирования эксперимента _

Факторы Уровни варьирования Интервал

Натуральный вид Кодированный вид -1 0 1 варьирования

Тонкость помола наполнителя, м2/кг XI 200 300 400 100

Время совместного домола с цементом, мин. Х2 5 10 15 5

Уравнение регрессии имеет вид: У = 12,89+ 1,075-Х, + 0,075-Х2-0,042-- - 1,4-Х,-Х2

400

'350 - ,

'250 Ч^О^

Рис. 3. График зависимостей прочности вяжущих от удельной поверхности и времени помола

Максимальную прочность имеют вяжущие, полученные домолом в течение 10 мин. при тонкости помола наполнителя 300 и 400 м2/кг, а также в течение 5 мин. для КВ ММС 400

(рис.3). Это объясняется наиболее оптимальным грану-

лометричесчким составом вяжущего, значительно меньшим количеством крупных недомолотых частиц ММС, наибольшей активацией как цементных зерен, так и частиц техногенного песка. При этом физико-механические напряжения, воздействуя на структуру отходов ММС и частицы цемента активизируют процессы структурообразования при твердении подобных систем, что в целом способствовало получению наиболее прочной матрицы затвердевшего вяжущего.

Таким образом, установлено, что домол в течение 15 мин. не эффективен при любой начальной удельной поверхности наполнителя из-за повышенного количества мельчайших частиц в вяжущем и их вторичного агрегирования, что будет увеличивать энергозатраты и способствовать повышению водопотребности бетонной смеси. Наиболее целесообразным является домол в течение 10 мин. для всех вяжущих и в течение 5 мин. для КВ ММС 400, что согласуется с данными по прочности образцов.

При сравнении прочности вяжущих с удельной поверхностью 500550 м2/кг, полученных с помощью домола компонентов и полностью совместным помолом, установлено, что вяжущее, полученное совместным помолом компонентов - КВ 20, менее активно по сравнению с составами КВ ММС 300 и КВ ММС 400, полученными путем домола наполнителя с цементом (рис. 4).

КВ 30

КВ 40

ЦЕМ I

32,5 Н

КВ20

КВ 20

КВ 20

КВ 20

КВ 20

Вид вяжущего

Цемент,

%

Шлак,

%

Вид вяжущего

Рис.4. Зависимость прочности вяжущих от способа их производства

Для повышения эффективности процессов структурообразования вяжущих, полученных на наполнителе с удельной поверхностью 200 м2/кг, в систему вводили-доменный гранулированный шлак. Были разработаны составы КВ 20 с различным соотношением наполнителей (шлака и отходов ММС) (табл. 5). Данные компоненты были взяты при одинаковом уровне дисперсности (200 м2/кг) и домалывались с цементом в течение 5 мин. Следует отметить, что количество добавки вводилось в процентном соотношении от массы цемента.

Таблица 5

Составы и свойства вяжущих_

Предел прочности при сжатии, МПа

28 сут.

Результаты испытаний вяжущих на прочность свидетельствуют о более высокой активности составов на смешанном наполнителе по сравнению с вяжущими на одних лишь отходах ММС.

Поскольку быстрое охлаждение шлакового расплава предотвращает (или приостанавливает) его кристаллизацию, позволяя сохранить в шлаке ту внутреннюю энергию, которая выделилась бы в виде теплоты образования и кристаллизации химических соединений, это повышает способность тонко размолотого гранулированного шлака затвердевать при затворении водой в присутствии возбудителей твердения.

Обеспечение показателей прочности у вяжущих со шлаковой составляющей при одновременном введении отходов ММС железистых кварцитов происходит за счет общего повышения удельной поверхности как частиц цемента, так и техногенных наполнителей, и, как следствие, возрастания количества мельчайших частиц, увеличения доли дефектов поверхности крупных включений, повышения гидравлической активности шлака за счет более тонкого измельчения, создания высокоплотной упаковки частиц вяжущего. Одновременно при этом частички и отходов ММС железистых кварцитов, и шлака выступают подложками и центрами кристаллизации при гидратации вяжущего (рис.5).

Для дальнейших исследований были выбраны составы 3 и 6 . У этих вяжущих прочность составляет примерно 43 % (КВ 20) прочности чистого цемента, а прочность КВ 40 - уже 73 % прочности.

У КВ 40 формируемая матрица в затвердевшем вяжущем является более однородной. Уплотнение и упрочнение структуры обусловлено ростом кристаллической фазы и замещением водных контактов между отдельными кристалликами новообразований - кристаллическими контактами (рис.5 а, б). Данной спецификой микроструктуры объясняется более высокая прочность вяжущего. Цементный камень КВ 20 имеет менее плотную структуру матрицы (рис.5 в, г). В общей массе отчетливо видны зерна наполнителя, можно отметить наличие пор и пустот.

Твердый каркас у всех образцов вяжущих сложен отдельными зернами шлака и частичками отходов ММС железистых кварцитов различной степени дисперсности с ярко выраженными химическими контактами взаимодействия с новообразованиями. Причем при большем увеличении заметно, что эти частицы почти полностью покрыты продуктами гидратации, так как частички шлака и отходов ММС является хорошими подложками для формирования зародышей новообразований, следствием чего является обилие глобул сросшихся с их поверхностью. Помимо этого, мельчайшие частицы наполнителя, как и не-прогидратировавшие цементные зерна, являются центрами кристаллизации, что также хорошо заметно у вяжущего КВ 40.

в) хЮООО г)х20000

Рис.5 Микроструктура вяжущих на основе шлака, отходов ММС и цемента: а,б- КВ 40; в,г- КВ 20

Меньшее содержание цементного теста у КВ 20 привело к образованию большего количество пор и пустот, которые в процессе твердения зарастают игольчатыми гидратными новообразованиями (рис.5 в, г). В качестве соединительных мостиков выступают, скорее всего, тонкие нитевидные кристаллы эттрингита, достигающие 3^4- мкм в длину.

Таким образом, оптимизация процессов структурообразования композиционных вяжущих происходит за счет обеспечения последовательного роста новообразований при твердении системы «клинкерные минералы-кварц различного генезиса-шлак-вода-суперпластификатор», обусловленного разной интенсивностью и временем взаимодействия полигенетического кварца и частичек шлака с продуктами гидратации клинкерных минералов. Халцедо-новидная, реагионально метаморфизованная, а также частично динамо-метаморфическая генерации кварца отходов ММС железистых кварцитов интенсивно связывают гидроксид кальция в мелкокристаллические нерастворимые гидросиликаты кальция, а контактово-метаморфическая разновид-

ность и более крупные частицы шлака выступают подложками и центрами кристаллизации, что в целом способствует уменьшению количества дефектов, снижению кристаллизационного давления и оптимизации структуры материала.

На основании разработанных вяжущих были рассчитаны составы закладочных смесей. В качестве заполнителей использовали отходы ММС железистых кварцитов и отсев дробления кварцитопесчаника (табл.6).

Так как заполнитель из отходов ММС железистых кварцитов отличается большей шероховатостью поверхности и водопотребностью, чем кварцитопес-чаник, то и содержащие его мелкозернистые бетоны отличаются повышенной «цементоемкостью». Уменьшить это негативное проявление как раз и позволяет введение композиционных вяжущих низких марок с минимальным расходом клинкерной составляющей.

Таблица 6

Зависимость прочности закладочной смеси от вида вяжущего

Расход компонентов Предел Предел

Вид вяжущего вяжущего, кг/м3 Отходы Вода, л/м3 прочности прочности

Ц Ш М* ММС, кг/м3 при сжатии, 28 сут, МПа при сжатии, 180 сут, МПа

КВ-20 60 120 120 1500 630 0,97 2

КВ-30 90 105 105 1500 625 1,16 2,3

KB-40 120 90 90 1500 615 1,27 2,8

*Ц-цемент, Ш-шлак, М-отходы ММС железистых кварцитов.

Для вертикальных обнажений закладки в стенках горных выработок нормативная прочность на рудниках (1-3 МПа) зависит от высоты обнажения закладки выработкой (10-50 м). Данным требованиям соответствует все составы.

Для уменьшения количества воды затворения и достижения необходимой пластичности вводили пластификатор СП-1 (табл.7, рис.6-7).

Наилучшие результаты показали составы на основе цемента и KB 40. Использование кварцитопесчаника позволило увеличить показатели прочности на 23 %, 39%, 35%, 31,5% соответственно для KB 20, КВ30,КВ 40, ЦЕМ II 32,5АШ.

Результаты кинетики твердения смесей показывают, что за счет высокой пуццолановой активности кремнеземсодержащих компонентов композиционного вяжущего активность образцов в 180 суточном возрасте твердения практически достигает и даже превышает показатели прочности у составов на основе цементного вяжущего.

4 состав

Рис.6 Кинетика набора прочности закладочных смесей на основе КВ и отходов ММС

железистых кварцитов

Использование разработанных вяжущих по предложенной технологии позволяет уменьшить расход цемента при изготовлении закладочных смесей на 60-80% для различных вариантов системы разработки. Экономия клинкера при сравнении с традиционным составом составила до 240 кг на метре куб. композита.

Рис. 7. Кинетика набора прочности закладочных смесей на основе КВ на основе отходов ММС железистых кварцитов и отсева дробления КВП

При этом свойства закладочной смеси должны обеспечивать устойчивый режим ее транспортирования к закладываемой выработке, равномерную укладку в выработанном пространстве с повторением контуров рудного тела и набором требуемой прочности в заданные сроки.

Зависимость прочности закладочной смеси от вида вяжущего

Таблица 7

Вид вяжущего Вяжущее, кг/м3 Отходы ММС, кг/м3 Отсев дробления КВП Вода, л/м3 Добавка СП-1, л/м3 Предел прочности при сжатии, 28 сут., МПа Предел прочности при изгибе, МПа Призменная прочность, МПа

Ц Ш М

1 КВ-20 60 120 120 1500 - 583 2 1,07 0,234 0,73

2 КВ-30 90 105 105 1500 - 580 2 1,44 0,234 1,01

3 КВ-40 120 90 90 1500 - 575 2 1,95 0,468 1,29

4 ЦЕМII 32,5АШ 300 - - 1500 - 565 2 1,50 0,468 1,19

5 КВ-20 60 120 120 1152 348 549 2 1,38 0,234 0,94

6 КВ-30 90 105 105 1152 348 544 2 2,35 0,234 1,35

7 КВ-40 120 90 90 1152 348 540 2 2,97 0,468 1,84

8 . ЦЕМ 11 32,5АШ 300 - 1152 348 530 2 2,33 0,468 1,65

Обычно регламентируются следующие технологические параметры закладочных смесей: осадка эталонного конуса (полное погружение) 9,0-14,0 см; растекаемость 13-20 см; предельное напряжение сдвига не более 200 Па; коэффициент расслаиваемости не более 1,3; схватывание смеси не раньше 2 ч с момента затворения; угол растекания не более 4°; водоотдача от закладочного массива не более 2%; нормативная прочность закладки в условиях рудника должна обеспечивать требования, предъявляемые системами разработки месторождений.

В результате экспериментальной проверки была получена широкая номенклатура составов, удовлетворяющих представленным выше требованиям (табл. 8).

Таблица 8

Технологические параметры закладочных смесей

№ состава Диаметр рас-плыва по вискозиметру Суттарда, мм Подвижность смеси, ОК, см Водо- отделение, % Плотность образца в момент испытания на прочность (28 сут.), р, кг/м3

1 206 >12 0,8 1930

2 208 >12 0,6 1955

3 210 >12 2 1970

4 210 >12 1,5 1960

5 205 >12 1,6 1960

6 205 >12 1,9 1970

7 205 >12 1,9 2030

8 205 >12 1,8 " 1970

Реологические свойства испытуемых закладочных смесей удовлетворяют условиям эксплуатации трубопровода в самотечном режиме транспортировки. Закладочные смеси на основе разработанных композиционных вяжущих характеризуются однородной консистенцией и высокой подвижностью, что исключает возможности расслоения смесей, закупорки бетоновода и недозакладки пустот в горных выработках.

В результате выполненных исследований установлено, что используемые в работе закладочные материалы соответствуют требованиям, предъявляемым к материалам для закладочных работ. Разработаны и испытаны составы твердеющих закладочных смесей.

Предложена помольная технология для подготовки закладочных компонентов (получение измельченной фракции; совместный помол измельченной фракции и цемента) и дальнейшее перемешивание с заполнителями в смесителе с последующим приготовлением на их основе твердеющих смесей.

Практическая реализация результатов диссертационной работы

осуществлена при получении закладочной смеси на основе композиционного вяжущего и техногенных песков КМА.

Экономическая эффективность при производстве закладочных смесей обусловлена применением композиционных вяжущих, позволяющих снизить расход клинкерной составляющей на 80%; использованием техногенного сырья КМА и более полной отработкой подземных месторождений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложены принципы повышения эффективности закладочных смесей для заполнения выработанного пространства при разработке месторождений полезных ископаемых, заключающиеся в использовании тонкомолотого композиционного вяжущего на основе цемента, отходов ММС железистых кварцитов, доменных гранулированных шлаков и добавки, полученного последовательным помолом всех составляющих компонентов, что вследствие комплексного синергетически усиленного влияния наполнителей, а также гетерогенного гранулометрического состава вяжущего будет оказывать направленное воздействие на формирование структуры бетона, уплотняя и упрочняя его.

2. Установлен характер зависимости морфологии поверхности, размера и характера частиц композиционных вяжущих от времени помола компонентов. Выявлена наиболее эффективная продолжительность помола, при которой наблюдается усреднение зерен вяжущих при незначительном вкраплении более крупных агрегатов за счет разрушения как зерен наполнителя, так и цемента. При этом крупные частицы техногенного песка, представленные в основном контакгово-метаморфическим кварцем, способствуют интенсификации помола вяжущего, выступая своеобразными дополнительными мелющими телами, а сами зерна ММС приобретают окатанную кубовидную форму, повышая плотность упаковки смеси.

3. Предложены зависимости удельной поверхности композиционных вяжущих от удельной поверхности техногенного наполнителя КВ. Показано, что с увеличением тонкости помола отходов ММС от 200 до 300 м /кг прирост удельной поверхности вяжущих составляет от 6 до 14%, а от 300 до 400 м2/кг от 10 до 12 %. Установлено, что при минимальной тонкости помола наполнителя происходит максимальный прирост удельной поверхности вяжущего с возрастанием времени их совместного домола.

4. Показано, что оптимизация процессов структурообразования композиционных вяжущих происходит за счет последовательного роста новообразований при твердении системы «клинкерные минералы-кварц различного ге-незиса-шлак-вода-суперпластификатор», обусловленного разной интенсивностью и временем взаимодействия полигенетического кварца и частичек шлака с продуктами гидратации клинкерных минералов. Халцедо-новидная реагионально метаморфизованная, а также частично динамо-

метаморфическая генерации кварца отходов ММС железистых кварцитов интенсивно связывают гидроксид кальция в мелкокристаллические нерастворимые гидросиликаты кальция, а контактово-метаморфическая генерация и более крупные частицы шлака выступают подложками и центрам кристаллизации, что в целом способствует уменьшению количества дефектов, снижению кристаллизационного давления и оптимизации структуры материала.

5. Разработана помольно-смесительная технология производства закладочной смеси с использованием композиционных вяжущих на основе техногенного сырья КМ А.

6. Разработаны составы композиционных вяжущих с оптимальным соотношением доменного шлака и отходов ММС железистых кварцитов, позволяющие снизить расход клинкерной составляющей на 80% при обеспечении допустимой для производства закладочных смесей активности вяжущего.

7. Установлены оптимальные соотношения доменного шлака и отходов ММС железистых кварцитов при получении композиционных шлако-цементных вяжущих.

8. Разработаны и испытаны составы твердеющих закладочных смесей на основе композиционных вяжущих с применением в качестве мелкого заполнителя отходов ММС железистых кварцитов и отсева дробления кварцито-песчаника, характеризующиеся однородной консистенцией и высокой подвижностью, что исключает возможности расслоения смесей, закупорки бетоновода и недозакладки пустот в горных выработках.

9. Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы при производстве закладочных смесей разработаны следующие нормативные документы: рекомендации по технологии изготовления закладочных смесей с использованием композиционного вяжущего на основе отходов ММС железистых кварцитов и доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК»; стандарт организации СТО 02066339-008-2013 «Композиционные вяжущие на основе отходов ММС железистых кварцитов и доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК».

СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Лесовик, Р.В. Укатываемый бетон для дорожного строительства с использованием отходов Курской магнитной аномалии (КМА) / Р.В. Лесовик, М.С. Ворсина, Г.А. Лесовик II Новые технологии, конструкции и материалы в строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. — Краснодар: Изд-во Технического университета КубГТУ, 2002. - С.86 - 88.

2. Строкова, В.В. Оценка экономической и социально-экологической эффективности комплексного использования попутно-добываемых пород / В.В. Строкова, В.А. Столярова, Г.А. Лесовик // Строительные материалы. 2005. №2. С. 12-13.

3. Гридчин, A.M. Решение проблемы утилизации техногенного сырья КМА / A.M. Гридчин, E.H. Авилова, Е.С. Глаголев, Г.А. Лесовик // Вестник БГТУ имени В.Г. Шухова. 2009. №4. С. 7-II.

4. Пат. RU 2422640 С1 Российская Федерация МПК E21F 15/00 (2006.01). Состав закладочной смеси / Р.В. Лесовик, Г.А. Лесовик, В.В. Строкова, E.H. Авилова, А.Н. Ластовецкий; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (БГТУ им. В.Г. Шухова). - № 2009146778/03. Заявл. 16.12.2009. Опубликовано: 27.06.2011 Бюл. № 18 -4 с.

5. Лесовик, Г.А. Пути повышения эффективности использования закладочных смесей / Г.А. Лесовик // Наука, Техника и Технология XXI века (НТТ

- 2009): Материалы IV Международной научно-технической конференции.

- Нальчик, 2009. - С. 376 - 379.

6. Алфимова, Н.И. Влияние генезиса минерального наполнителя на свойства композиционных вяжущих / Н.И. Алфимова, И.В. Жерновский, Е.А. Яковлев, Т.Г. Юракова, Г.А. Лесовик И Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2010. № 1. С. 91-94.

7. Сопин, Д.М. Использование отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов для получения закладочных смесей / Д.М. Сопин, Ю.Н. Черкашин, Г.А. Лесовик, С.А. Каалитин, E.H. Авилова// Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: XIX научные чтения. - Часть 1. - Белгород, 2010. - С. 312 - 316.

8. Агеева, М.С. Мелкозернистые бетоны на основе композиционного шла-ко-цементного вяжущего: монография / М.С. Агеева, A.B. Гинзбург, A.B. Иванов, Г.А. Лесовик // Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012. -100 с.

9. Свид. о регистрации ноу-хау №20130023, правообладатель Белгор. гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова, дата регистрации 19.08.2013 Отсев дробления кварцитопесчаника в качестве мелкого заполнителя для стеновых мелкоштучных изделий / С.В. Клюев, A.B. Клюев, Г.А. Лесовик, Ю.Н. Черкашин, В.А. Богусевич,000 «Белэкострой»: А.И. Исаков.

10. Агеева, М.С. Разработка композиционных вяжущих для закладочных смесей / М.С. Агеева, Д.М. Сопин, A.B. Гинзбург, Н.В. Калашников, Г.А. Лесовик // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 4. С. 43-47.

ЛЕСОВИК Галина Александровна

ЗАКЛАДОЧНЫЕ СМЕСИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ПЕСКОВ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Подписано в печать 19.11.2013. Формат 60x84 1/16. Усл. Печ. л. 1.1.4 Уч.-изд. л. 1.43 Тираж 100 экз. Заказ № 333

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46.

Белгородский государственный технологический университет

имени В. Г. Шухова

ЛЕСОВИК ГАЛИНА АЛЕКСАНДРОВНА

ЗАКЛАДОЧНЫЕ СМЕСИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ПЕСКОВ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия ДИССЕРТАЦИЯ

На правах рукописи

04201454670

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Агеева Марина Сергеевна

Белгород - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА..........................................................................10

1.1 Технология добычи железистых кварцитов на ОАО «Комбинат КМАруда»..........................................................................................10

1.2 Цель и задачи закладки......................................................................14

1.3 Опыт использования твердеющей закладки па рудниках России, ближнего и дальнего зарубежья........................................................21

1.4 Пути повышения эффективности получения закладочных

смесей..................................................................................................26

1.4.1 Применение разнопрочной закладки........................................27

1.4.2 Активация сырьевых компонентов закладочной смеси..........28

1.4.3 Добавки........................................................................................32

1.5 Технология возведения закладочных массивов............................33

1.6 Выводы..............................................................................................38

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ..............................................................40

2.1 Методика отбора проб......................................................................40

2.2 Методы исследований......................................................................40

2.2.1 Рентгенофазовый анализ..........................................................40

2.2.2 Дифференциально-термический анализ................................42

2.2.3 Химический анализ....................................................................42

2.2.4 Изучение микроструктуры сырьевых компонентов и материалов на их основе с помощью растровой электронной микроскопии......................................................44

2.2.5 Определение гранулометрического состава вяжущих..........45

2.2.6 Изучение свойств бетонных смесей........................................46

2.3 Применяемые материалы..................................................................50

2.4 Выводы................................................................................................54

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРИМЕНЕНИЯ МАЛОКЛИНКЕРНЫХ ВЯЖУЩИХ ДЛЯ ЗАКЛАДОЧНЫХ СМЕСЕЙ . 55

3.1 Материалы, применяемые для закладки и требования к ним...... 55

3.1.1 Выбор вяжущих веществ для производства закладочных смесей............................................ 55

3.1.2 Выбор заполнителей для производства закладочных

смесей............................................ 59

3.2 Влияние кристаллохимических характеристик кварца отходов ММС железистых кварцитов и удельной поверхности наполнителя на активность композиционного вяжущего....... 62

3.3 Повышение эффективности производства разработанных композиционных вяжущих................................ 77

3.4 Реологические характеристики цементных паст композиционных вяжущих................................ 84

3.5 Выводы................................................ 87

4. РАЗРАБОТКА СОСТАВА МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА ДЛЯ ЗАКЛАДКИ................................................... 89

4.1 Требования к бетонным смесям и свойствам мелкозернистого бетона для закладки..................................... 89

4.2 Проектирование состава закладочных смесей................ 95

4.3 Исследование свойств закладочных смесей на техногенных заполнителях........................................... 101

4.3.1 Изучение свойств закладочных смесей на основе отходов ММС железистых кварцитов......................... 102

4.3.2 Изучение свойств закладочных смесей на основе отходов ММС железистых кварцитов отсева дробления кварцитопесчаника.................................. 106

4.4 Исследование реологических характеристик

109

закладочных смесей.....................................

4.5 Выводы................................................ 112

5. ВНЕДРЕНИЕ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................114

5.1 Разработка технологии приготовления закладочной смеси на основе композиционных вяжущих и техногенного сырья..............114

5.1.1 Выбор способа производства закладочной смеси................114

5.1.2 Технологическая схема закладочного комплекса..................117

5.1.3 Проектирование основного технологического оборудования для производства закладочных смесей..........120

5.2 Технология транспортирования закладочной смеси в выработанное пространство..............................................................123

5.2.1 Разработка технологии транспортирования закладочной

смеси на основе композиционных вяжущих и техногенных

песков........................................................................................126

5.3 Технико-экономическое обоснование результатов работы..........128

5.4 Выводы................................................................................................132

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..................................................................................134

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................................137

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................154

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время на территории Курской магнитной аномалии (КМА) при разработке месторождений железных руд подземным способом применяются системы с последующей твердеющей закладкой. Технология твердеющей закладки выработанного пространства позволяет решить сразу три проблемы — сохранить окружающую среду, дать значительный экономический эффект и сделать подземные работы безопасными. Однако постоянное увеличение глубины разработки месторождений железистых кварцитов и богатых железных руд, усложнение горно-геологических и горнотехнических условий их эксплуатации, увеличение отходов горнообогатительного производства служат предпосылкой для все более широкого распространения различных вариантов систем разработки с закладкой выработанного пространства, что в значительной мере определяет эффективность отработки месторождений.

Наиболее сложным моментом, связанным с применением твердеющей закладки, является правильный выбор ее состава, применительно к конкретным условиям и материалам. В свете вышесказанного проблема эффективного использования отходов горно-обогатительного производства является весьма актуальной.

Усовершенствование технологии приготовления и транспортирования закладочной смеси, а также использование в качестве вяжущих и заполнителей дешёвых материалов, какими являются промышленные отходы, позволяет значительно снизить затраты, связанные с выполнением закладочных работ. Поэтому в данной работе для производства закладочных смесей было предложено применять тонкомолотое композиционное вяжущее (КВ) на основе техногенного сырья КМА.

Диссертационная работа выполнена в рамках реализации ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы и программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012 - 2016 годы.

Цель работы: разработка эффективных закладочных смесей с использова-

нием композиционных вяжущих на основе цемента, техногенного сырья КМА и добавок.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование минерального состава и физико-механических свойств техногенных песков: отходов мокрой магнитной сепарации (ММС) железистых кварцитов, доменных гранулированных шлаков ОАО «Новолипецкого металлургического комбината» («НЛМК») как компонентов композиционного вяжущего и закладочной смеси;

- разработка составов композиционных вяжущих и изучение их свойств;

- проектирование состава закладочных смесей на основе композиционных вяжущих;

- исследования реологических и физико-механических характеристик закладочных смесей, приготавливаемых по помольно-смесительной технологии с применением композиционных вяжущих;

- разработка нормативно-технической документации и внедрение результатов исследований.

Научная новизна. Предложены принципы повышения эффективности закладочных смесей для заполнения выработанного пространства при разработке месторождений полезных ископаемых, заключающиеся в использовании тонкомолотого композиционного вяжущего на основе цемента, отходов ММС железистых кварцитов, доменных гранулированных шлаков и добавки, полученного последовательным помолом всех составляющих компонентов, что вследствие комплексного синергегически усиленного влияния наполнителей, а также гетерогенного гранулометрического состава вяжущего будет оказывать направленное воздействие на формирование структуры композита, уплотняя и упрочняя его.

Установлен характер зависимости морфологии поверхности, размера и характера поверхности частиц композиционных вяжущих от времени помола компонентов. Выявлена наиболее эффективная продолжительность помола, при которой наблюдается усреднение зерен вяжущих при незначительном вкраплении более крупных агрегатов за счет разрушения как зерен наполнителя, так и цемента. При этом крупные частицы техногенного песка, представ-

ленные в основном контактово-метаморфическим кварцем, способствуют интенсификации помола вяжущего, выступая своеобразными дополнительными мелющими телами, а сами зерна ММС приобретают окатанную кубовидную форму, повышая плотность упаковки смеси.

Показано, что оптимизация процессов структурообразования композиционных вяжущих происходит за счет последовательного роста новообразований при твердении системы «клинкерные минералы-кварц различного генезиса— шлак-вода-суперпластификатор», обусловленного разной интенсивностью и временем взаимодействия полигенетического кварца и частичек шлака с продуктами гидратации клинкерных минералов. Халцедоновидная, реагионально метаморфизованпая, а также частично динамо-метаморфическая генерации кварца отходов ММС железистых кварцитов интенсивно связывают гидроксид кальция в мелкокристаллические нерастворимые гидросиликаты кальция, а контактово-метаморфическая разновидность и более крупные частицы шлака выступают подложками и центрами кристаллизации, что в целом способствует уменьшению количества дефектов, снижению кристаллизационного давления и оптимизации структуры материала.

Практическая значимость работы. Разработана помолыю-смесительная технология производства закладочной смеси с использованием композиционных вяжущих на основе техногенного сырья КМА.

Предложены составы композиционных вяжущих с оптимальным соотношением доменного шлака и отходов ММС железистых кварцитов, позволяющие снизить расход клинкерной составляющей на 80% при обеспечении достаточной для производства закладочных смесей активности вяжущего.

Разработаны и испытаны составы твердеющих закладочных смесей на основе композиционных вяжущих с применением в качестве мелкого заполнителя отходов ММС железистых кварцитов и отсева дробления кварцитопесчани-ка; характеризующиеся однородной консистенцией и высокой подвижностью, что исключает возможности расслоения смесей, закупорки бетоновода и недо-закладки пустот в горных выработках.

Внедрение результатов исследований. Результаты работы внедрены при получении закладочной смеси на основе композиционного цементо-шлакового вяжущего и техногенных песков КМА.

Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы при производстве закладочных смесей разработаны следующие нормативные документы:

- рекомендации по технологии изготовления закладочных смесей с использованием композиционного вяжущего на основе отходов ММС железистых кварцитов и доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК»;

- стандарт организации СТО 02066339-008-2013 «Композиционные вяжущие на основе отходов ММС железистых кварцитов и доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК».

Теоретические положения диссертационной работы и результаты экспериментальных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106.65 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»; бакалавров по направлению 270800.62 «Строительство»; магистерских программ «Технология производства строительных материалов, изделий и конструкций» и «Инновации и трансфер технологий».

Апробации работы. Основные положения диссертационной работы представлены на Международном студенческом форуме (Белгород, 2006); Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов вузов «Эврика» (Новочеркасск, 2008); Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, 2007); VII Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2007 (Москва, 2007); XVIII Менделеевской конференции молодых ученых (Белгород, 2008); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2008); Международной конференции с элементами научной школы для молодежи (Якутск, 2009); 2-й Международной научно-практической конференции (Брянск, 2010); Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, МГСУ, 2011

г.); Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (Белгород, 2011); VIII Международной научно-практической конференции «Научное пространство Европы - 2012» (Przemysl, (Польша), 2012); Международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2012» (Одесса, 2012); XVI и XVII Международной заочной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2012 и 2013).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 8 научных публикациях, в том числе в 4 статьях в центральных рецензируемых изданиях, 1 монографии. Имеется ноу-хау, а также патент RU 2422640 С1 на состав закладочной смеси.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, включающего 28 таблиц, 35 рисунков и фотографий, списка литературы из 162 наименований, 3 приложений.

На защиту выносятся:

- принципы повышения эффективности вяжущих для производства закладочных смесей;

- минеральный состав и физико-механические характеристики отходов ММС железистых кварцитов и доменных гранулированных шлаков ОАО «HJIMK» и составы композиционных вяжущих на их основе;

-зависимости физико-механических характеристик композиционного вяжущего от удельной поверхности наполнителя, времени совместного помола его компонентов, способа приготовления вяжущего, соотношения между вводимым доменным гранулированным шлаком и отходами ММС железистых кварцитов;

- составы закладочных смесей на различном заполнителе;

- технология производства закладочной смеси с использованием композиционного вяжущего на основе доменных гранулированных шлаков ОАО «НЛМК» и отходов ММС железистых кварцитов;

- результаты внедрения.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 1.1 Технология добычи железистых кварцитов на ОАО «Комбинат

КМАруда»

Открытое акционерное общество «Комбинат КМАруда» осуществляет подземную добычу железистых кварцитов Коробковского месторождения Курской магнитной аномалии и переработку их в железорудный концентрат.

На месторождении выделяются Главная, Северо-Восточная, Восточная, Юго-Западная, Южная и Юго-Восточная залежи железистых кварцитов, общей площадью 2,76 км2, а также Стретенская залежь, параметры которых приведены в таблице 1.1.

Горно-технические условия отработки месторождения являются сложными. До настоящего времени месторождение остается единственным объектом в бассейне КМА, отрабатываемых шахтным способом [1].

Таблица 1.1

Параметры рудных залежей Коробковского месторождения

Залежь Длина, м Ширина, м Общая площадь, КМ" Мощность осадочного чехла, м Содержание, %

F®o6lU Fe 1 смаги

Главная 2400 560-1050 1,680 116 34,67 28,42

СевероВосточная 450 400 0,175 139 36,60 29,55

Восточная 1300 130-275 0,236 96,2 33,24 26,96

Юго-Западная 1000 50-275 0,195 ИЗ 34,83 27,70

Южная 100 110-350 0,299 118 34,90 26,00

Юго-Восточная 800 130-325 0,176 82,8 32,83 26,25

Стретенская 3500 140-480 0,890 62-165 33,62 27,73

Добыча руды подразделяется на:

I. Основные производственные процессы (объект работ - руда или вмещающие породы).

А. Процессы горно-подготовительных работ:

Подготовка — проведение горных выработок для разделения вскрытых участков месторождения на очистные блоки и панели и обеспечения очистной выемки. По местоположению подготовительных выработок можно выделить три способа подготовки:

-рудная (выработки проведены по руде); -полевая (выработки проведены по пустым породам); -комбинированная, сочетающая в себе признаки рудной и полевой. Рудную подготовку применяют при разработке крутых маломощных залежей, мощных залежей любого падения, пологих и горизонтальных залежей выдержанного залегания с транспортированием руды по почве залежи. Полевую подготовку используют в некоторых случаях при выемке руды с обрушением налегающих пород [2].

Комбинированная подготовка наиболее распространена при разработке месторождений вследствие своей гибкости по сравнению с рудной