CC BY
20
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ, АЭРОДРОМОВ, МОСТОВ И ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ
УДК 669.71:622.023
ШЕПЕЛЕВ ИГОРЬ ИННОКЕНТЬЕВИЧ, докт. техн. наук, ekoing@mail. ги
Научно-исследовательская организация ООО «ЭКО-Инжиниринг», 662150, г. Ачинск, Южная промзона, квартал XII, стр. 1, КУДЯКОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, kudyakow @1таЪ. ги
Томский государственный архитектурно-строительный университет,
634003, г. Томск, пл. Соляная, 2,
БОЧКОВ НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ, аспирант,
пЪоеН^у@уа^ех. ги
ООО «Доломит»,
662153, г. Ачинск, Южная промзона, квартал V, стр. 12, ЖИЖАЕВ АНАТОЛИЙ МИХАЙЛОВИЧ, канд. техн. наук, zhyzhaev@icct. ги
Институт химии и химической технологии СО РАН, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50, стр. 24
ДОРОЖНЫЕ ТВЕРДЕЮЩИЕ СМЕСИ НА НЕФЕЛИНОВЫХ ВЯЖУЩИХ С ГИПСОАНГИДРИТОВЫМИ МОДИФИЦИРУЮЩИМИ ДОБАВКАМИ
Проведены исследования физико-механических свойств дорожных твердеющих смесей на основе нефелиновых вяжущих из отходов глиноземного производства. Установлены закономерности влияния гипсоангидритовых отходов в составе нефелинового вяжущего на прочность, водопоглощение и морозостойкость твердеющих дорожных смесей. При введении 5%-х гипсоангадритовых отходов в дорожную смесь прочность материала при прессовании в 28-суточном возрасте повышается в 2,4 раза и обеспечивается морозостойкость Е25.
Ключевые слова: нефелиновый шлам; гипсодержащие отходы; дорожные твердеющие смеси; прочность; водопоглощение; морозостойкость.
© Шепелев И.И., Кудяков А.И., Бочков Н.Н., Жижаев А.М., 2017
IGOR I. SHEPELEV, DSc,
OOO 'ECO-Engineering'
1, Yuzhnaya Promzona Str., 662150, Achinsk, Russia, ALEKSANDR I. KUDYAKOV, DSc, Professor, Tomsk State University of Architecture and Building,
2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia, NIKOLAYN. BOCHKOV, Research Assistant, OOO 'Dolomit'
12, Yuzhnaya Promzona Str., 662153, Achinsk, Russia, ANATOLYM. ZHYZHAEV, PhD,
Institute of Chemistry and Chemical Engineering SB RAS, 50, Akademgorodok, 660036, Krasnoyarsk, Russia
CURABLE NEPHELINE-BASED SUBGRADE MIXTURES WITH HYPSUM-ANHYDRITE ADDITIVES
The paper presents research carried out into mechanical-and-physical properties of subgrade mixtures based on nepheline binding materials produced by the alumina industry. It is shown that gypsum-anhydrite waste included in nepheline binding material has an effect on strength, water absorption and frost resistance of curable subgrade mixtures. While introducing 5 % gypsum-anhydrite waste in the subgrade mixture, the strength of material under pressure increases by 2,4 times after 28-day ageing and the F25 brand frost resistance is provided.
Keywords: nepheline slime; gypsum-based waste; subgrade curable mixture; strength; water absorption; frost resistance.
В программе модернизации автомобильных дорог России до 2025 г. большое внимание уделяется повышению качества и долговечности покрытий из дорожно-строительных материалов на основе местных природных и техногенных сырьевых материалов. При изготовлении материалов для строительства автомобильных дорог могут быть использованы отходы глиноземного производства. На предприятии АО «РУСАЛ Ачинск» в Красноярском крае при производстве глинозема и содопродуктов образуется более 6 млн т отходов в год. Отходы практически не используются, загрязняются прилегающие территории, и возникают проблемы при отчуждении земель новых шламохранилищ.
Основным отходом глиноземного производства является нефелиновый шлам, в состав которого входит минерал белит (до 90 %), обладающий способностью к твердению в естественных условиях, что позволило рекомендовать его для производства различных твердеющих смесей [1]. Твердеющие смеси на основе нефелинового шлама и различных грунтов рекомендованы для устройства оснований дорог [2, 3]. Однако дорожные смеси, включающие в качестве вяжущего только нефелиновый шлам, обладают замедленной скоростью струк-турообразования и недостаточной прочностью для устройства основания автомобильных дорог. Для ускорения структурообразования твердеющих смесей на основе силикатов кальция используются различные способы активации [4].
Разработка оптимальных составов и производство твердеющих дорожных смесей на основе вяжущих из нефелинового шлама и активных минеральных дисперсных добавок для устройства оснований автомобильных дорог
повысит их качество, что позволит существенно сократить накопление отходов глиноземного производства в шламохранилищах, а также уменьшить использование нерудного сырья и цемента.
Целью настоящей работы является выявление закономерностей струк-турообразования и разработка технологических приемов производства твердеющих дорожно-строительных смесей повышенной прочности и долговечности с использованием нефелиновых вяжущих.
В качестве исходных материалов для проведения исследований дорожных твердеющих смесей применялись:
- Нефелиновый шлам АО «РУСАЛ Ачинск» - отход производства глинозема (ТУ 5743-039-057785164-01). Нефелиновый шлам - это сыпучий материал светло-коричневого цвета с размером зерен до 3-5 мм, состоящий, в основном, из двухкальциевого силиката (белита 2CaOSiO2) - 80-90 %. В нефелиновом шламе в небольшом количестве находятся алюмосиликаты натрия и кальция (Na2OAl2O3SiO2, 2CaOAl2O3SiO2), карбонат кальция (CaCO3) и алюминат натрия (Na2OAl2O3). Влажность нефелинового шлама, отбираемого из шламохранили-ща - 20-25 %. Нефелиновый шлам относится к 5-му классу опасности, т. е. является нетоксичным. Удельная активность естественных радионуклидов нефелинового шлама - 66,9 Бк/кг, т. е. он может быть использован в строительстве.
- Гипсоангидритовый отход (ГАО) производства фтористого алюминия АО «РУСАЛ Ачинск». Гипсоангидритовый отход состоит в основном из сульфата кальция (ангидрит, двуводный и полуводный гипс). В небольшом количестве содержится кальцит (CaCO3) и флюорит (CaF2). Гипсоангидрито-вый отход измельчался до остатка на сите 0,08 мм - 44-45 %.
- Заполнители: щебеночная смесь фракции 0-40 мм - отход добычи известняка Мазульского месторождения и песок Быстринского месторождения (р. Чулым) с содержанием пылевидных и глинистых примесей 0,9 %, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 8736-93.
Приготовление дорожных твердеющих смесей осуществлялось перемешиванием заполнителей с влажным нефелиновым шламом и гипсоангидрито-выми отходами в лабораторных смесителях принудительного действия.
Определение технических и эксплуатационных характеристик затвердевших дорожных смесей осуществлялось испытанием отформованных образцов размером 100x100x100 мм, хранившихся в стандартных условиях с 95-100%-й влажностью и температуре 20 °С в течение 7, 14, 28 и 90 сут.
Рентгенофазовый анализ (РФА) исходных компонентов и дорожных смесей проводился на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 с использованием Cu^-излучения (X = 1,544 нм), а дифференциально-термический - на приборе NETZSCH STA 449F1.
По результатам исследования установлена способность нефелинового шлама во влажном состоянии после формования образцов прессованием твердеть [5]. Сразу после формования образцы обладают незначительной прочностью, которая возрастает с течением времени. Для ускорения структурообра-зования дорожных смесей с нефелиновым вяжущим и повышения прочности готового материала авторами предложено при перемешивании компонентов вводить активную добавку - гипсосодержащие отходы [5, 6]. При введении
в нефелиново-песчаную смесь гипсосодержащих отходов в количестве от 2,5 до 10 % прочностные характеристики образцов в возрасте 28 сут увеличиваются в 2,4-2,5 раза (рис. 1). Наибольший прирост прочности образцов на сжатие и растяжение при изгибе наблюдается при содержании гипсосодержащих отходов в дорожной смеси в количестве 5 % от массы нефелинового шлама. В дальнейших исследованиях принято оптимальным содержание гипсосодержащих отходов 5 % по массе. Кинетика набора прочности дорожной смеси в течение 7, 14 и 28 сут приведена на рис. 2.
, МПа
сж>
15
12
Яизг, МПа
2
1
2
1,5 1
0,5 0
2,5 5 7,5 10
Дозировка ГАО, % масс.
9
6
3
0
Рис. 1. Прочность на сжатие и на растяжение при изгибе образцов нефелиново-песчаной смеси в возрасте 28 сут при различном содержании гипсоангидритовых отходов: 1 - предел прочности на сжатие; 2 - предел прочности на растяжение при изгибе
Рис. 2. Кинетика изменения прочности на сжатие образцов нефелиново-песчаной смеси в различные сроки твердения: 1 - без добавки ГАО; 2 - добавка ГАО 5 %
Прочность на сжатие нефелиново-песчаной смеси без добавок ГАО к 90 сут достигает 6,3 МПа, а образцов с добавкой 5 % ГАО - 15,0 МПа.
Для объяснения механизма ускорения структурообразования и повышения прочности образцов из дорожных смесей на нефелиновом вяжущем были проведены рентгеноструктурные и дифференциально-термические исследования дорожной смеси и затвердевших образцов. На рентгенограмме дорожной смеси до затвердевания (рис. 3) идентифицируется двукальциевый силикат
(Р-Са28Ю4, d = 2,78; 2,74; 2,19 А), гипс (Са804-2Н20, d = 7,59; 4,28; 3,79 А), ангидрит (Са804) и кальцит (СаС03, d = 3,86; 3,03; 1,88 А).
Рис. 3. Рентгенограмма дорожной смеси:
О - гипс; • - двукальциевый силикат; ▼ - кальцит; + - ангидрит
На термограмме негидратированной смеси (рис. 4) наблюдается эндоэф-фект в интервале до 200 °С с потерей массы 6 %, что объясняется дегидратацией гипса. Незначительный эндоэффект при 456 °С вызван разложением гидроксида кальция. Эндоэффект при 752 °С с потерей массы 1,78 % объясняется диссоциацией кальцита кальция.
Рис. 4. Термограмма дорожной смеси
По данным РФА в образце затвердевшей смеси в 7 -суточном возрасте идентифицируется двухкальциевый силикат (Р-Са28Ю4, d = 2,78; 2,74; 2,19 А), эттрингит (3Са0-Л120з-3Са804-32И20, d = 5,59; 4,68; 3,87; 2,70; А), гипс (CaS04•2H20, d = 7,59; 4,28; 3,79 А) и кальцит (СаСОз, d = 3,86; 3,03; 1,88 А) (рис. 5).
Рис. 5. Рентгенограмма затвердевшей дорожной смеси в 7-суточном возрасте: х - эттрингит; О - гипс; • - двухкальциевый силикат; ▼ - кальцит
На термограмме затвердевшей дорожной смеси (рис. 6) наблюдается большой двойной эндоэффект в области температур до 200 °С с потерей массы образца до 18 %. В этом температурном интервале происходит дегидратация гипса до полугидрата и затем его полное обезвоживание до ангидрита (Са8042Н20 ^ Са8040,5Н20 ^ Са804), а также дегидратация эттрин-гита (3Са0Л12033Са80431Н20).
На гидратацию алюминатов сильно влияют добавки, и прежде всего сульфаты кальция, содержащиеся в гипсоангидритовых отходах. Структурно-химические превращения гипсоангидритовых отходов в гипсонефелиновом вяжущем на первой стадии твердения объясняются взаимодействием сульфата кальция с содержащимися в шламе алюминатом и гидроалюминатом кальция:
3СаО • Л1203 + 3(Са804 • 2^0) + 26Н20 = 3Са0 • ЛЬ03 • 3Са804 • 32^0... (1) 3СаОЛ12 • 036Н20 + 3(Са804 • 2Н20) + №0 = 3Са0 • Л1203 • 3Са804 • 31Н20 (2)
Образующийся эттрингит ускоряет процесс твердения дорожной смеси. В последующем твердение нефелинового шлама в дорожной смеси обеспечивается за счет гидратации двухкальциевого силиката, содержащегося в шламе, с образованием гидросиликата кальция (Са28Ю4Н20), наличие которого подтверждается эндоэффектом при 743 °С.
Рис. 6. Термограмма затвердевшей дорожной смеси в возрасте 7 сут
Большое внимание в обеспечении долговечности дорожно-строительных материалов в основании дорог уделяется морозостойкости, т. е. способности выдерживать попеременное замораживание и оттаивание в водонасы-щенном состоянии. Вода, находящаяся в порах, при отрицательных температурах превращается в лед, возникают внутренние напряжения и разрушение структуры. Исходя из этого, необходимо было исследовать, как изменяется водопоглощение затвердевшей дорожно-строительной смеси на нефелиновых вяжущих при твердении. При проведении исследований использовалась нефелиново-щебеночная смесь (65:30). Как следует из рис. 7, при твердении образцов дорожной смеси на нефелиновом вяжущем до 180 сут водопоглощение снижается до 6,5 %.
В, % 17
13
_1 2
14
28
90
180
Срок твердения, сут
9
5
Рис. 7. Кинетика водопоглощения образцов дорожной смеси на нефелиновом вяжущем: 1 - нефелиново-щебеночная смесь; 2 - с добавкой 5 % ГАО
При этом морозостойкость возрастает. Установлено, что образцы из нефелиново-щебеночной смеси с 5 % гипсоангидритовых отходов в возрасте 28 сут имеют марку по морозостойкости F25 и данную смесь можно рекомендовать для устройства основания дорожных одежд капитального типа в районах со среднемесячной температурой воздуха наиболее холодного месяца от -15 °С до -3G °С, характерной для центральных и южных районов Красноярского края.
Таким образом, проведенными исследованиями установлено, что в дорожных смесях на основе нефелиновых вяжущих с гипсоангидритовыми добавками ускорение начального структурообразования происходит за счет образования эттрингита, а повышение прочности при твердении в течение 14-28 сут идет за счет гидратации двухкальциевого силиката с образованием гидросиликатов кальция (Ca2SiO4-H2O, Ca15SiO35H2O, Ca2SiO4G,35H2O).
На основании проведенных исследований были разработаны состав дорожных твердеющих смесей на нефелиновых вяжущих с гипсоангидритовыми отходами и технология их приготовления. Oпытно-промышленная апробация результатов исследований, проведенная при устройстве основания дорожных одежд при реконструкции автодороги Красноярск - Железногорск, подтвердила эффективность практических рекомендаций по использованию дорожных твердеющих смесей на нефелиновых вяжущих при строительстве автомобильных дорог.
БИБЛИOГРАФИЧЕСКИЙ СПИШК
1. Боженов, П.И. Эффективнее использовать нефелиновый шлам / П.И. Боженов, А.И. Кудяков // Цемент. - 1976. - № 11. - С. 1S-2G.
2. Бескровный, В.М. Применение нефелинового шлама для строительства оснований автомобильных дорог в условиях Сибири : дис. ... канд. техн. наук. - Oмск, 1983. - 122 с.
3. Применение отходов промышленных предприятий в дорожно-строительных технологиях/ И.И. Шепелев, А.Н. Анушенков, Р.Я. Дашкевич, В.А. Кожевников // Современные технологии освоения минеральных ресурсов : сб. науч. тр. Вып. 11. - Красноярск : СФУ, 2G13. - C. 292-297.
4. Улучшение качества цементного камня путем многочастотной ультразвуковой активации воды затворения / А.И. Кудяков, А.Г. Петров, Г.Г. Петров, К.В. Иконникова // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2G12. -№ 3. - С. 143-152.
5. Шепелев, И.И. Технологические аспекты вторичного использования гипсосодержащих отходов в качестве минерально-сырьевых добавок/ И.И. Шепелев, Н.Н. Бочков, А.Ю. Сахачев // Современные технологии освоения минеральных ресурсов : сб. науч. тр. Вып. 12. - Красноярск : СФУ, 2014. - C. 211-215.
6. Внедрение ресурсосберегающих технологий с вовлечением нетоксичных отходов металлургического производства / И.И. Шепелев, Н.Н. Бочков, А.Ю. Сахачев, Н.В. Головных // MetalRussia. - 2G14. - № 11. - C. 6G-63.
REFERENCES
1. Bozhenov P.I., Kudyakov A.I. Effektivnee ispol'zovat' nefelinovyi shlam [Efficient use of nepheline slime]. Tsement [Cement]. 1976. No. 11. Pp. 18-2G. (rus)
2. Beskrovnyi V.M. Primenenie nefelinovogo shlama dlya stroitel'stva osnovanii avtomobil'nykh dorog v usloviyakh Sibiri: dis. ... kand. tekhn. nauk [Nepheline slime in subgrade construction in Siberia. PhD Thesis]. Omsk, 1983. 122 p. (rus)
3. Shepelev I.I., Anushenkov A.N., Dashkevich R.Ya., Kozhevnikov V.A. Primenenie otkhodov promyshlennykh predpriyatii v dorozhno-stroitel'nykh technologiyakh [Use of industrial waste
in road-building technologies]. Sovremennye tekhnologii osvoeniya mineral'nykh resursov. Krasnoyarsk: Siberia Federal University Publ., 2013. Pp. 292-297. (rus)
4. Kudyakov A.I., Petrov A.G., Petrov G.G., Ikonnikov K. V. Uluchshenie kachestva tsementnogo kamnya putem mnogochastotnoi ul'trazvukovoi aktivatsii vody zatvoreniya [Quality improvement of cement stone using multifrequency ultrasonic activation of water]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2012. No. 3. Pp. 143-152. (rus)
5. Shepelev I.I., Bochkov N.N., Sakhachev A.Y. Tekhnologicheskie aspekty vtorichnogo ispol'zovaniya gipsosoderzhashchikh otkhodov v kachestve mineral'no-syr'evykh dobavok [Technological point of view on recycling gypsum-containing waste as mineral additive]. Krasnoyarsk: Siberia Federal University Publ., 2014. Pp. 211-215. (rus)
6. Shepelev I.I., Bochkov N.N., Sakhachev A.Y., Golovnykh N.V. Vnedrenie resursosberegayush-chikh tekhnologii s vovlecheniem netoksichnykh otkhodov metallurgicheskogo proizvodstva [Golovnykh Resource-saving technology adaptation for non-toxic metallurgical plant waste reusing]. MetalRussia. 2014. No. 11. Pp. 60-63. (rus)
