Гуревич Б.И. 1, Тюкавкина В.В. 1, Кушнарева С.Э. 2

1Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева  КНЦ РАН, 2ОАО «Апатит», г. Апатиты, Россия

During shipping and storing, portland cement may be contaminated with up to 1% of syenite (nepheline) concentrate. It is established that this does not change the cement brand. However, there are changes in the setting time and compressive strength, although remaining within the GOST (State Standard) requirements. It was determined that flotoreagents added in quantities of 0.01 - 0.20% of the concrete mass do affect the physico-mechanical properties of portland cement.

The unstable behaviour of portland cement with syenite concentrate inclusions may be explained by the presence of surface-active substances adsorbed on the incorporated minerals.

При перевозке и хранении портландцемента, поступающего на ОАО «Апатит», возможно попадание в цемент сиенитового (нефелинового) концентрата. Предстояло выяснить влияние малых количеств сиенитового концентрата на физико-механические свойства цемента (прочность при сжатии и изгибе, сроки схватывания, равномерность изменения объема цемента).

Для проведения исследований ОАО «Апатит» представило сиенитовый концентрат, химический состав мас.%: Al₂O₃ - 26.00-28.80, P₂O₅ - 0.08-0.26, SiO₂ - 44.0-46.0, Fe₂O₃ - 2.10-2.70. В качестве объекта исследования был выбран портландцемент Савинского завода.

Испытания проводились в соответствии с действующими стандартами: ГОСТ 310.3 - 76 «Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема», ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии».

По проведенным расчетам содержание попадающего концентрата в цемент не превышает 1% от массы цемента. Содержание добавки сиенитового концентрата изменялось до 1% от массы цемента с интервалом 0.25 мас.%.

Стандартные образцы - балочки размерами 4х4х16 см изготавливались из цементного раствора нормальной консистенции на стандартном вольском песке с соотношением Ц:П = 1:3. Часть образцов пропаривалась по режиму 2+3+6+2ч при 85±5 ⁰С в соответствии с ГОСТ 310.4-81. Часть образцов твердела в воде в течение 28 суток.

Проведенные исследования показали, все составы выдержали испытание на равномерность изменения объема. Добавка сиенитового концентрата к представленной пробе портландцемента Савинского завода в количестве до 0.75 мас.% не снижает прочностных показателей цемента в возрасте 28 суток, а в отдельных случаях превосходит прочность цемента без добавки (табл.1).

Таблица 1 Результаты физико-механических испытаний цемента (в/ц=0,44)

Определено, что цемент с примесью сиенитового концентрата до 1 мас.% по своим свойствам остается в пределах требований, предъявляемым к портландцементу ГОСТ 10178-85 «Портландцемент и шлакопортландцемент». Однако прослеживается влияние сиенитового концентрата на свойства цемента. Отмечается падение и рост прочности, увеличение времени начала схватывания, снижение водопотребности, приблизительно на 4 мас.% по сравнению с исследуемым портландцементом.

Сомнительно, что незначительное количество нефелина и других материалов, входящих в состав сиенитового концентрата может оказывать влияние на свойства цемента. Высказано предположение, что в данном случае влияние оказывают флотореагенты адсорбированные на поверхности зерен минералов. Установить количество ПАВ не представилось возможным  из-за малого их количества. На ИК-спектрах не прослеживается линий, принадлежащих флотореагентам.

Дополнительно была проведена серия опытов с добавкой к цементу ПАВ, применяемых при флотации руд.

В качестве поверхностно-активных веществ использовались:

1. Реагент ОП-4 - маслянистая жидкость светло-желтого цвета, неионогенное поверхностно-активное вещество, синтезируемое на основе фенола. Реагенты типа ОП устойчивы по отношению к неорганическим солям (кальция, магния, алюминия и др.), а также к кислотам и щелочам.

2. Сырое талловое масло (СТМ) - побочный продукт производства целлюлозы, состоит главным образом из высших жирных и смоляных (канифольных) кислот, суммарное содержание которых колеблется от 32 до 62 мас.%.

В СТМ в количестве 5-9 мас.% присутствуют оксикислоты - продукты окисления смоляных кислот, и небольшое количество фенолов и др. Перед употреблением сырое талловое масло омылялось 1мас.% раствором NaOH.

Из перечисленных выше ПАВ готовились 1 мас.% растворы, которые в заданных количествах вместе с водой вводились в цементное тесто. Концентрация ПАВ выражалась в процентах от массы портландцемента.

Из теста нормальной густоты готовились образцы размером 2х2х2 см, которые твердели в воде при температуре 20±2⁰С в течение 180 сут. Сроки схватывания определялись на малом приборе Вика.

Результаты испытаний представлены в таблице 2. Все составы выдержали испытания на равномерность изменения объема. При добавлении ОП-4 временя начала схватывания  увеличивается, а время конца схватывания уменьшается по сравнению с цементом, не содержащим ОП-4. При содержании 0.01 мас.% добавки ОП-4 прочность при сжатии практически равна прочности исходного цемента.  Наблюдается нелинейная зависимость прочностных свойств цемента от количества данной добавки.

Введение добавки СТМ в количестве 0.01 мас.% удлиняет начало схватывания на 1 час; в количестве 0.20 мас.% уменьшает начало схватывания на 30 минут, конец схватывания на 1 час по сравнению с цементом без добавки. Прочность при сжатии цемента, содержащего добавку СТМ в количестве 0.01-0.20 мас.% меньше бездобавочного цемента для всех сроков твердения.

Таблица 2 Влияние добавок на свойства цементного теста (в/ц = 0,25)

Таким образом, выявлено неоднозначное влияние флотореагентов на свойства портландцемента. Колебания физико-механических свойств, отмеченные в поведении портландцемента с включением сиенитового концентрата, могут быть объяснены наличием ПАВ на адсорбированных минералах, входящих в состав концентрата.

Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья том 2