ПАК Аврелий Александрович

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева Кольского научного центра РАН, г. Апатиты, России

Ячеистые бетоны (пено- и газобетоны), благодаря своей пористой структуре, относятся к наиболее эффективным конструкционно-теплоизоляционным и теплоизоляционным строительным материалам.

Преимуществом ячеистых бетонов является возможность максимального использования в качестве кремнеземистого компонента техногенных отходов. Кремнеземистые материалы, используемые для получения ячеистых бетонов, характеризуются полиминеральностью состава. Минералом, выполняющим определяющую роль в формировании структуры ячеистого бетона, является кварц. Именно от характера и степени его взаимодействия с гидроксидом кальция в жидкой фазе с последующей кристаллизацией из пересыщенного раствора гидратных новообразований - гидросиликатов кальция зависят физико-механические свойства бетона.

Наиболее материалоемкими и практически не используемыми техногенными материалами Мурманской области являются кварцевые отходы переработки железной руды ОАО «ОЛКОН» (г. Оленегорск), хвосты апатито-нефелиновой флотации АНОФ-2 ОАО «Апатит», а также золошлаковые смеси Апатитской ТЭЦ.

Кварцевые отходы («хвосты») - являются побочным продуктом переработки железной руды ОАО «ОЛКОН». Сейчас в хвостохранилище (площадью более 10 км²) залегает около 400 млн м³ «хвостов». Отходы относятся к кварцевым, благодаря относительно высокому содержанию SiO₂ - от 60 до 75%. Характерной особенностью кварцевых отходов является наличие в них недоизвлеченных рудных минералов (гематит, магнетит) в количестве до 15% в пересчете на металлическое железо. Выполненные исследования показали, что по минеральному составу кварцевые отходы удовлетворяют требованиям ГОСТ 25485-89 и Инструкции СН 277-80 по изготовлению изделий из ячеистого бетона, за исключением незначительного превышения содержания пылевидных и глинистых частиц (3,6% вместо допустимых 3,0%) , а также слюды (1,09% вместо допустимых 0,5%).

Хвосты апатитовой флотации (ХАФ) - из хвостохранилища апатито-нефелиновой фабрики АНОФ-2 ОАО «Апатит» имеют следующий минеральный состав, %: нефелин - 48,5, эгирин - 28,5, апатит - 8,7, полевые шпаты - 3,0, сфен - 4,3, титаномагнетит - 4,0, нефелин видоизмененный - 3,0. Химический состав ХАФ представлен оксидами, %: SiO₂ - 36,70, Fe₂O₃ - 8,02, FeO - 1,96, Al₂O₃ - 21,58, СаО - 6,97, MgO -1,68, Р2О5 - 3,94, TiO₂ - 4,76, SO₃ - 0,054, Na₂O - 8,92, К₂О - 4,83, п.п.п. - 1,24. Результаты химического и минерального анализов свидетельствуют о том, что по основным показателям ХАФ не удовлетворяют требованиям ГОСТ 25485-89 и Инструкции СН 277-80, предъявляемым к кремнеземистым компонентам для ячеистых бетонов. Прежде всего, это относится к низкому содержанию SiO2 - 36,70 вместо требуемых 60%. Минерал кварц отсутствует вообще. В ХАФ суммарное содержание Na₂O + К2О составляет 13,75% (из них Na₂O - 8,92%), в то время как нормируемое стандартом содержание щелочей в пересчете на Na₂O не должно превышать 2%.

Золошлаковая смесь (ЗШС) Апатитской ТЭЦ - в законсервированном золоотвале № 1 площадью примерно 47 га хранится около 7, 5 млн т ЗШС. Золоотвал № 2 площадью около 20 га стал заполняться с 1990 года и сейчас в нем уже более 3 млн т ЗШС. ЗШС Апатитской ТЭЦ отличается от многих других зол стабильностью химического, минерального и гранулометрического составов, что связано с преимущественным использованием многие годы одного вида топлива - каменного угля Интинского месторождения Печорского бассейна, а также многолетним хранением в золоотвале (более 50 лет). Исследования показали, что по основным показателям ЗШС Апатитской ТЭЦ соответствует требованиям ГОСТ 25592-83 «Смесь золошлаковая тепловых электростанций для бетона. Технические условия». По гранулометрическому составу ЗШС представлена в основном тонкодисперсной зольной частью: содержание фракций менее 0,16 мм - более 75%. Насыпная плотность - 900-1000 кг/м³. Количество зерен шлака крупнее 5 мм менее 1%, а зерна крупнее 10 мм практически отсутствуют. Удельная поверхность - 200-220 м²/кг.

По химическому составу ЗШС также удовлетворяет требованиям ГОСТ: содержание SiO2 составляет 54,7% (более нормируемых 40%), содержание сернистых и сернокислых соединений в пересчете на SO3 - 0,72%, (нормируется не более 3%), углерода содержится около 1%, потери при прокаливании 2,31, что ниже регламентируемого показателя (3%). В ЗШС достаточно высокое содержание SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃ > 85%. По содержанию СаО (менее 4%) ЗШС относится к низкокальциевым золам. СаОсв не обнаружено. Была проведена радиационная оценка пробы ЗШС. Для полной радиационной характеристики материалов определяли суммарную долю концентрации естественных радионуклидов от предельно допустимых концентраций - ∑С/ПДК. Для ЗШС значение С/ПДК составило 0,9 (нормируется С/ПДК ≤ 1) и она может применяться без ограничений.

На рисунке показана прочность газобетона на выбранных техногенных кремнеземистых компонентах после автоклавной обработки, по составам бетонных смесей, приведенных в таблице.

Таблица - Исходные параметры и составы газобетонных смесей

Рисунок - Прочность газобетона на различных кремнеземистых компонентах

Как видно из рисунка, прочностные показатели газобетона автоклавного твердения на ХАФ во всех составах уступают показателям бетонов на других заполнителях. Так, если на кварцевых отходах при расчетной плотности бетона 700 кг/м³ (состав 2) марка по прочности соответствует М50 (В3,5), а на ЗШС - М35-50 (В2,5-3,5), то на ХАФ - не более М25 (В1,5), что меньше минимального требования ГОСТа - М30 (В2). Также и теплоизоляционный бетон плотностью 400 кг/м3 на ХАФ не достигает прочностных показателей стандарта, в то время как на двух других заполнителях получаются бетоны с вполне удовлетворительными прочностными свойствами.

С целью повышении прочностных свойств газобетонов на некондиционном (по отдельным показателям) техногенном сырье, а также изысканию возможности использования ХАФ в качестве кремнеземистого компонента ячеистобетонных смесей, был выполнен цикл исследований по введению в состав газобетонной смеси активной минеральной добавки - сиштофа.

Сиштоф является побочным продуктом азотно-кислотной переработки апатито-нефелинового концентрата и хвостов апатитовой флотации на глинозем, соду, поташ. По химическому составу сиштоф идентичен многим высококремнеземистым материалам и содержит SiO₂ от 80-ти до 94%. Минералогические исследования сиштофа показали, что в основном он состоит из аморфного кремнезема. В качестве примесей присутствуют микроклин, эгирин, в небольших количествах - неразложившийся нефелин. В виде единичных зерен отмечаются титаномагнетит, кальцит, апатит, пластинки слюды. Суммарное содержание минералов-примесей не превышает 20% и зависит от качества исходного нефелинового концентрата.

Выполненные эксперименты показали, что замена части кварцевых отходов сиштофом приводит к увеличению прочности бетона только при низкой средней плотности. Для бетона средней плотностью 400 кг/м³ добавка 20 - 25% сиштофа ведет почти к двойному увеличению прочности, а при плотности газосиликатобетона 500 кг/м³ оптимум добавки сиштофа снижается до 10 - 15%, при этом обеспечивается максимальный прирост прочности 33 - 40%. Однако при более высоких плотностях введение сиштофа ведет к существенном снижению плотности и прочности бетона. На основании полученных результатов принимаем за оптимальное количество добавку сиштофа в пределах 15-20% мас и только для бетонов низких плотностей (менее 500 кг/м³).

Таким образом, для получения ячеистого бетона в качестве кремнеземистого компонента могут использоваться кварцевые отходы ОАО «ОЛКОН» и золошлаковые смеси Апатитской ТЭЦ.

Наука - производству