Крашенинников О.Н.

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, Апатиты, Россия

The principal results of research carried out in the ICTREMRM KSC RAS laboratory of concrete, substantiating the possibility of obtaining various concretes (heavy, ornamental, light, cellular, silicate, fine-grained, heat-insulating, heat-and fire-resistant) from local mineral sources, are presented.

В Мурманской области создан мощный горнопромышленный комплекс, где осуществляется разработка крупных месторождений апатитонефелинового, железорудного, медно-никелевого и вермикулитслюдяного сырья, разведаны многие десятки месторождений строительного и облицовочного камня, песчано-гравийных смесей и строительных песков, обнаружены залежи вспучивающихся сланцев. Эти богатые природные ресурсы наряду с огромными количествами накопившихся горнопромышленных отходов, превышающих 6.5 млрд т, создают благоприятную перспективу как для интенсивного развития строительной отрасли в регионе в соответствии со «Стратегией развития строительного комплекса Мурманской области до 2015 года», так и реализации национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России» и федеральной целевой программы по дорожному строительству.

Мощная минеральная база нерудных строительных материалов Кольского региона и положительные результаты выполненных в лаборатории бетонов ИХТРЭМС КНЦ РАН исследований, кратко представленные в настоящем докладе, обосновывают возможность получения в Мурманской области из местного сырья разнообразных по функциональному назначению бетонов: тяжелых, декоративных, легких, ячеистых, силикатных, мелкозернистых, теплоизоляционных, жаростойких и огнезащитных. На рисунке схематически представлены основные виды природного и техногенного сырья региона, применяемые или рекомендуемые для получения бетонов.

По состоянию на 01.01.2007 г. суммарные запасы каменного сырья для получения плотных заполнителей бетонов по разведанным месторождениям строительного и облицовочного камня, песчано-гравийных смесей и строительных песков  составляют 316 млн м³ по кат. А+В+С₁ и 282 млн м³ по кат. С₂ [1]. При этом, 27 месторождений строительного камня - основного сырьевого источника для получения щебня обеспечивают 60% общих запасов по кат. А+В+С₁ и более 90 % по кат. С₂. За счет этого сырья возможно получение щебня различного качества, в том числе высшей категории (месторождения: метагаббродиабазов Прихибинское, метагаббро Габбро-Мончи, гранитов Палоярви).

Многотоннажным сырьевым источником для получения щебня являются вскрышные породы ряда действующих рудников или планируемых к освоению месторождений [2]. Следует отметить наиболее высокие показатели, достигнутые ОАО «Олкон» по переработке вскрышных гнейссодержащих пород железорудных месторождений на щебень, которые достигли максимальных объемов в 2 млн м³ в 2001 г. Исследованиями лаборатории совместно со специалистами ряда головных отраслевых институтов страны (СоюздорНИИ, НИИЖБ, ЦНИИС) показана возможность использования в строительстве нетрадиционного сырья - вскрышных скальных нефелинсодержащих пород рудников ОАО «Апатит», направляющего ежегодно в отвалы более 20 млн м³ таких пород [3].

В целом, потребности Мурманской области в сырье для получения щебня на перспективу (к 2015 г. планируемые в объеме 7.9 млн м³) только за счет разведанных запасов каменного сырья обеспечены не менее чем на 50 лет вперед и имеются реальные возможности удовлетворения потребности других регионов России, испытывающих острый дефицит в плотных заполнителях бетонов.

Значительные перспективы имеются в области по организации выпуска декоративных заполнителей широкой цветовой гаммы. На основе кольского цветнокаменного сырья разработаны высококачественные декоративные бетоны, коэффициент камненасыщения которых достигает 0.75 [4].

В настоящее время в регионе разрабатывается 42 месторождения песчано-гравийных смесей с запасами на 01.01.2007 г. 42 млн м³ (кат. А+В+С₁) и 11 месторождений строительных песков с запасами 7.9 млн м³ (кат. А+В+С₁), за счет которых обеспечиваются потребности области в мелких заполнителях бетонов [1]. Однако в регионе недостаточно внимания уделяется утилизации таких техногенных мелкозернистых продуктов как хвосты обогащения железорудного сырья ОАО «Олкон» и гранулированных шлаков комбината «Печенганикель» - отходов переработки медно-никелевых руд. ОАО «Олкон» ежегодно направляет в хвостохранилище более 6 млн т отходов обогащения, а комбинатом  «Печенганикель» накоплено в  отвалах около 30 млн м³ шлаков.

Высокая эксплуатационная надежность и долговечность выпускаемого в Оленегорске силикатного кирпича на основе хвостов обогащения подтверждены более чем 40-летним сроком службы различных строительных объектов, построенных в Заполярье из этого кирпича. Наращивание объемов утилизации отходов и замены ими традиционных карьерных песков (качество которых по некоторым месторождениям является сравнительно невысоким) может быть рекомендовано, наряду с освоенной технологией получения цветного силикатного кирпича с органосиликатным покрытием [5], также для получения тяжелых бетонов, строительных растворов, дорожных материалов (тротуарная плитка, поребрик), изделий из ячеистого бетона [6].

Применение комбинатом «Печенганикель» в незначительных объемах граншлаков только для внутренних целей (подсыпка дорог, закладочные растворы выработанного подземного пространства) представляется недостаточным, учитывая результаты исследований, обосновывающих эффективность их использования в качестве мелкого заполнителя бетонов, получения шлакощелочного вяжущего и шлакопортландцемента [7, 8].

Одним из тонкодисперсных техногенных продуктов в регионе, который не нашел еще практического применения, являются золоотходы Апатитской ТЭЦ (б. Кировская ГРЭС). Эти отходы в виде золошлаковой смеси (ЗШС) сбрасываются предприятием системой гидрозолоудаления в количестве до 200 тыс. т ежегодно и являются источником загрязнения окружающей среды. В отработанном золоотвале №1 накоплено около 7 млн т ЗШС - побочных продуктов сгорания каменных углей, преимущественно Интинского месторождения. В лаборатории всесторонне изучены эти золоотходы и показана целесообразность их использования в качестве минеральной добавки в бетоны. За счет ЗШС возможно заменить до 15% портландцемента и до 50% шунгизитового песка, а также получить легкий бетон (шунгизитозолобетон) практически без снижения его основных качественных показателей [9]. В составе газозолобетона содержание ЗШС может доходить до 60% [10]. На основе ЗШС и пенополистирола разработан композиционный многослойный материал, отличающийся повышенными физико-механическими и теплофизическими свойствами [11]. Положительные результаты исследований позволили обосновать проведение геолого-разведочных работ и утвердить запасы ЗШС на первоочередном для промышленной разработки участке золоотвала.

Рис.1

Рекомендации лаборатории послужили основой для практического использования таких тонкодисперсных побочных продуктов как технологические пыли уноса, образующиеся при обжиге карельского шунгитового сырья для получения шунгизитового гравия в г. Мурманске, а также карбонатитов Ено-Ковдорского месторождения при получении извести на Оленегорском заводе силикатного кирпича. Шунгизитовые пыли реализованы при выпуске стеновых легкобетонных камней СКЦ-1Р, а карбонатитовые пыли - в качестве добавки в силикатную массу при получении кирпича.

По результатам геологических работ Кольский регион располагает огромными прогнозными ресурсами вспучивающихся сланцев, составляющими более 600 млн м³. Нами обоснована целесообразность использования местных сланцев для получения пористого заполнителя и легких бетонов требуемого качества [12]. Среди обнаруженных проявлений такого сырья наиболее крупным по запасам является Цыпнаволок (полуостров Рыбачий). Установлено, что из местных сланцев серицит-альбит-хлорит-кварцевого состава возможно получение пористого заполнителя с коэффициентом вспучивания 3.5-4.0. Необходимая вспучиваемость, доведенной до пиропластического состояния массы, обеспечивается за счет выделяющейся газовой фазы, превышающей 1000 см³ на 1 кг породы в интервале температур интенсивного порообразования при 1100-1160°С. В целом положительные результаты технологических испытаний и экономических расчетов обосновывают целесообразность постановки геолого-разведочных работ и утверждения запасов местных сланцев для получения пористых заполнителей

Значительный вклад внесла лаборатория в решение вопросов совершенствования технологии однослойных стеновых панелей из поризованного легкого бетона (шунгизитопенобетона). Для улучшения качественных показателей изделий и конструкций разработаны пенообразователи повышенной стойкости: на основе смолы древесной омыленной и обожженного карбонатита Ено-Ковдорского месторождения (т.н. «вязкая» пена), а также скрубберной пасты, модифицированной добавками поверхностно-активного вещества «Сампо», содержащего загущающие компоненты, и нитрата натрия, как ускорителя твердения [13]. Технология стеновых панелей для промышленных и общественных зданий из шунгизитопенобетона с синтетическим пенообразователем на основе скрубберной пасты была внедрена в ПКПО «Апатитстройиндустрия».

Особое внимание при исследованиях уделялось вопросам рационального использования для получения эффективных строительных материалов уникального местного сырья - вермикулита Ковдорского месторождения. Среди основных выполненных разработок:

- вермикулитсодержащие конструкционно-теплоизоляционные жаростойкие бетоны с предельно допустимой температурой применения 1000°С, а также вермикулитсодержащие смеси для мастичной изоляции промышленных водогрейных котлов (разработка внедрена в системе ОАО «Апатит») [14];

- поризованные вермикулитсодержащие смеси при одностадийном способе изготовления негорючего теплоизоляционного материала для кровельных покрытий [15];

- огнезащитные вермикулитсодержащие материалы, по комплексу свойств превосходящие мировые аналоги, для заделки проходов электрических кабелей через строительные конструкции [16].

На базе лаборатории создан Кольский испытательный центр строительных материалов и изделий, осуществляющий деятельность в области строительного и технологического инжиниринга и оказывающий помощь предприятиям Кольского региона в оценке качества нерудных строительных материалов и бетонов, а также в обследовании технического состояния зданий и сооружений (фундаментов, несущих и ограждающих конструкций и др.).

Литература

1. Крашенинников О.Н., Белогурова Т.П. Современное состояние и перспективы развития минерально-сырьевой базы Мурманской области для получения щебня и песка (справочно-информационный материал). - Апатиты: КНЦ РАН, 2008. - 33 с.
2. Использование вскрышных пород месторождений Кольского полуострова для получения щебня / О.Н.Крашенинников, Т.П.Белогурова, В.В.Лащук, А.А.Пак // Инновационный потенциал Кольской науки. - Апатиты: КНЦ РАН, 2005. - С.219-224.
3. Крашенинников О.Н. Нефелиновые породы Хибинского массива и возможности их использования в строительстве. - Апатиты: КНЦ РАН, 1995. - 64 с.
4. Крашенинников О.Н. Декоративные бетоны на основе природнокаменного сырья Кольского полуострова. Препринт. - Апатиты: КНЦ РАН, 1999. - 34 с.
5. Опыт производства цветного лицевого силикатного кирпича / Н.Ф.Брянцева, О.Н.Крашенинников, Л.Д.Крылов, Р.В.Слышкин // Строительные материалы. - 1984. - №8. - С.7-8.
6. Крашенинников О.Н., Пак А.А., Сухорукова Р.Н. Комплексное использование отходов обогащения железорудного сырья // Строительные материалы. - 1997. - №12. - С.28-30.
7. Гуревич Б.И. Вяжущие вещества из техногенного сырья Кольского полуострова. - Апатиты: КНЦ РАН, 1996. - 179 с.
8. Гуревич Б.И., Тюкавкина В.В. Шлакопортландцемент на основе шлаков комбината «Печенганикель» // Север строительный. - 2007. - №1. - С.38-40.
9. Крашенинников О.Н., Журбенко Г.В., Меос М.А. Использование золошлаковой смеси Кировской ГРЭС для получения конструктивно-теплоизоляционного шунгизитобетона // Комплексное использование минерального сырья в строительных и технических материалах. - Апатиты: КНЦ РАН, 1989. - С.18-22.
10. Пак А.А., Крашенинников О.Н., Сухорукова Р.Н. Газобетон на основе техногенного сырья Кольского горно-промышленного комплекса. - Апатиты: КНЦ РАН, 2000. - 84 с.
11. Пак А.А., Сухорукова Р.Н. Технология и свойства композиционных материалов для ограждающих конструкций зданий / Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов. - Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2005. - С.155-158.
12. Крашенинников О.Н. Пористые заполнители из вспучивающихся сланцев Кольского полуострова // Строительные материалы. - 2006. - №6. - С.90-92.
13. Совершенствование технологии легкого бетона поризацией пенами улучшенного качества / О.Н.Крашенинников, М.А.Меос, Г.В.Журбенко, К.В.Зотова, Б.Е.Чистяков // Фундаментальные проблемы комплексного использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных материалов. - Апатиты: КНЦ РАН, 2003. - С.195-197.
14. Крашенинников О.Н. Вермикулитозолобетон для высокотемпературной теплоизоляции нагревательного оборудования // Новые огнеупоры. - 2006. - №2. - С.15-19.
15. Крашенинников О.Н. Теплоизоляционный вермикулитопенобетон для кровельных покрытий // Строительные материалы. - 2006. - №1. - С.13-16.
16. Крашенинников О.Н. Огнезащитные вермикулитсодержащие материалы для заделки кабельных проходок через строительные конструкции//Пожарная безопасность.-2006.-№ 4. - С.95-100.

Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья том 2