CC BY
45
ГРНТИ 53.37.91
Агибаева Алия Жолатовна
магистрант, кафедра «Металлургия».
Павлодарский Государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Реет блика Казахстан, e-mail: [email protected]; Аманжолов Айдар
магистрант, кафедра «Металлургия»,
Павлодарский Государственный университет имени С. Торайгырова.
г. Павлодар. 140008. Республика Казахстан: Ларичкин Владимир Викторович
д.т.н., профессор, кафедра «Инженерные проблемы экологии». Новосибирский государственный технический университет,
г. Новосибирск. 630000. Российская Федерация
РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ШЛАМА ГЛИНОЗЕМНОГО ПРОИЗВОДСТВА
В настоящее время истощаются запасы добываемого высококачественного минерального сырья. По этой причине промышленность вынуждена перерабатывать низкосортные бокситовые руды с высоким содержанием соединений железа (до 25 "о), что приводит к значительному увеличению роста накапливаемых в отвалах глинозёмного производства крупнотоннажных отходов - красных гиламов.
Окиси железа в условиях технологического процесса производства глинозёма рассматриваются, в основном, как примеси бокситового сырья, затрудняющие отделение и промывку красного шлама; кроме того, они могут взаимодействовать с щелочными и алюминатными растворами, образовывая ряд химических соединений. В результате этого, помимо основного компонента гематита (Ре203), шламы являются концентраторами многих ценных металлов.
Актуальной для алюминиевой промышленности остаётся задача поиска альтернативных малоотходных способов переработки бокситовых руд. а также решение проблемы утилизации красных гиламов с целью селективного извлечения из них железосодержащих компонентов.
Па основе экспериментальных и теоретических исследований изложены основные методы повышения качественных показателей бетонов за счёт использования механохимических активированных модификаторов. Рассчитана па работников научно-исследовательских и проектных организаций, магистрантов и студентов строительных и металлургических факультетов вузов.
Ключевые слова: красный шлам, переработка, технология, скандий, извлечение, карбонизация.
ВВЕДЕНИЕ
«Нет отходов и отбросов, а есть сырьё, не нашедшее своего хозяина»
Д. И. Менделеев
Глинозёмное производство, являясь наиболее крупномасштабным, одновременно характеризуется невысокой комплексностью использования
своего сырья. Глинозём, получаемый как полупродукт для производства алюминия путём электролиза или для других целей, производится из боксита по принятому во всём мире способу Байера, основанному на гидротермально-щелочном методе вскрытия. Этот способ считается одним из наиболее развитых гидрометаллургических промышленных процессов. Однако, он имеет существенный недостаток - образование значительных объёмов красного шлама, который до сих пор использовался только в небольшом количестве. Выход получаемого красного шлама зависит от состава бокситовой руды и колеблется в пределах от 1,2 до 1,6 тонн на каждую тонну полученного глинозёма. При этом транспортировка, хранение шлама и природоохранные мероприятия, требуют значительных капитальных затрат. Таким образом, способ Байера не обеспечивает комплексную переработку бокситового сырья [1-3].
Ктому же, в настоящее время истощаются запасы добываемого высококачественного минерального сырья. По этой причине промышленность вынуждена перерабатывать низкосортные бокситовые руды с высоким содержанием соединений железа (до 25 %), что приводит к значительному увеличению роста накапливаемых в отвалах глинозёмного производства крупнотоннажных отходов - красных шламов.
Окиси железа в условиях технологического процесса производства глинозёма рассматриваются, в основном, как примеси бокситового сырья, затрудняющие отделение и промывку красного шлама; кроме того, они могут взаимодействовать со щелочными и алюминатными растворами, образовывая ряд химических соединений. В результате этого, помимо основного компонента гематита (Ре203), шламы являются концентраторами многих ценных металлов, таких, например, как титан, кремний, алюминий, редкоземельные элементы и др. [4].
Отсюда следует, что актуальной для алюминиевой промышленности остается задача поиска альтернативных малоотходных способов переработки бокситовых руд, а также решение проблемы утилизации красных шламов с целью селективного извлечения из них железосодержащих компонентов.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Влияние модификаторов на основные свойства бетонов.
Прочностные характеристики модифицированного бетона и их стабильность во времени обусловлены составом вяжущего и видом заполнителей, силой сцепления между ними, особенностями структуры формируемого искусственного конгломерата.
Значительное влияние на изменение физико-механических свойств модифицированного бетона оказывает содержание модификатора [5].
Наибольшей прочностью при сжатии (116-128 МПа) отличается бетон на основе портландцемента с минеральной добавкой (граншлака) при максимальном расходе модификатора после твердения в условиях тепловлажностной обработки, причём с уменьшением водосодержания прочность увеличивается дополнительно на 15-24 %.
Снижение расхода модификатора при постоянном расходе цемента обуславливает резкое уменьшение прочности до 20-45 Мпа [4]. Влияние расхода
модификатора на физико-механические свойства бетона нельзя оценивать однозначно, в отрыве от вида и содержания шлака в составе портландцементной системы, а также без учёта условий твердения, причём, прочность бетона, твердевшего 28 суток в нормальных воздушно-влажных условиях, в большей степени зависит от расхода шлака, чем пропаренного.
По данным полученным после проведения экспериментов, при расходе цемента от 300 до 600 кг на м3 бетонной смеси наблюдается прямо пропорциональная зависимость между увеличением прочности бетона и содержанием модификаторов; превышение расхода цемента сверх 600 кг не сопровождается заметным расходом прочности (таблица 1).
Таблица 1 - Изменение во времени прочности модифицированного бетона в зависимости расхода модификатора и содержания шлака в цементной системе
Состав вяжущей системы Прочность ири сжатии, Мпа, модифицированного бетона после
Расход ПЦ, кг/ м' ш/ц м/ц 4 часов после пропаривания Хранение в естественных условиях после пропаривания, суток Твердение в воде, суток
28 90 180 720 28 90 180 720
410 0,2 0,9 67,0 78,2 80,7 83,2 91,5 67,7 68,3 71,3 79,9
0,6 61,0 77,0 79,4 81,2 88,9 62,2 61,6 70,5 76,4
0,2 41,0 50,3 52,8 55,8 59,7 46,6 49,5 52,3 59,7
1 9 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
220 0,4 0,9 23 2 28,3 28,3 34,2 35,5 20,3 23,7 24,4 31,2
0,6 20,2 24,5 24,5 28,6 31,9 18,5 20,6 22,6 27,9
0,2 13,6 16,4 16,4 21,6 23,8 10,4 13,9 15,6 19,8
Существенное влияние на формирование структуры модифицированного бетона и синтез его прочности оказывает вид и расход заполнителя, способного частично отвлекать щелочной раствор на смачивание поверхности [6,7]. Из анализа приведённых данных следует, что зависимость прочности модифицированного бетона от В/Т менее существенна, чем зависимость прочности не модифицированного портландцементного бетона от В/Ц.
Таблица 2 - Изменение прочности модифицированного бетона в зависимости от В/Т
Расход модификатора, М/11, Предел прочности при сжатии, Мпа, при В/Т
0,26 0,27 0,280 0,29 0,30 0,36 0,40 0,5
0,2 - - - - 66,4 60,3 61,3 55,2
0,4 86,4 88,2 76,4 71,2 70,5 66,6 61,3 62,3
0,6* 96,2 97,5 90,4 90,1 89,2 82,6 65,7 77,3
0,8* 112,1 110,2 104,5 101,6 102,7 94,3 81,0 85,5
1,0* 108,4 107,7 105,2 104,5 104,1 98,5 94,2 88,8
Использование модификатора (с оптимальным содержанием пластификатора в количестве 2 %) даже при относительно высоких значениях В/Т открывает возможность получения высокопрочного бетона классов В 50 и выше
(в зависимости от содержания модификатора) значение В/Т должно быть принято в пределах 0,25-0,5 [8-11].
ВЫВОДЫ
Установлено, что бокситовый шлам, полученный при переработке боксита спекательным способом, целесообразно использовать в составе смешанных вяжущих в сочетании с тонкодисперсными минеральными добавками алюмосиликатного или силикатного составов, характеризующимися аморфной или стекловидной структурой. Последнее обусловлено необходимостью устранения возможного негативного воздействия щелочной фазы шлама на эксплуатационные свойства бетонов, а также возможностью получения качественно новых соединений и структур, участвующих в синтезе прочности и плотности цементно-шламового камня.
В качестве модифицирующих минеральных добавок в составе таких трехкомпонентных смешанных вяжущих эффективно использование гранулированного доменного ишака и конденсированного микрокремнезема - отхода ферросплавного производства.
Установлены следующие оптимальные составы с позиции обеспечения равной с исходным портландцементом активности, пониженной водопотребности и ускоренных сроков схватывания, составы трёхкомпонентного смешанного вяжущего в массовых частях: портландцемент: бокситовый шлам: доменный граншлак -2,5:1,3:1.
Вяжущее рекомендуемых составов характеризуются в сравнении с исходным портландцементом повышенными на 13 (6) % значениями НГЦТ, сокращёнными на 47 (52) % и 16 (43) % сроками, соответственно, начала и окончания схватывания, повышенной на 4 (3) % пластичностью теста [12-14].
Установлено, что наиболее эффективным с позиции обеспечения требуемых физико-технических свойств смешанного вяжущего и минимальных трудо - и энергозатрат на его приготовление является способ раздельного измельчения и последующего смешения исходных компонентов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Государственная программа индустриально-инновационного развития Республики Казахстан на 2015-2019 годы, утверждённая Указом Президента РК от 1 августа 2014 года № 874.
2 Ибрагимов, А. Т., Будон, С. В. Развитие технологии производства глинозёма из бокситов Казахстана. - Павлодар : Дом печати, 2010. - 304 с.
3 Арынгазин, К. Ш., Ларичкин, В. В., Алдунгарова, А. К., Свидерский, А. К., Быков, П. О., Богомолов, А. В., Тлеулесов, А. К., Маусымбаева, Д. К. Инновационное использование твёрдых техногенных отходов предприятий теплоэнергетики металлургии павлодарской области в производстве строительных материалов // Наука и техника Казахстана. - 2016. - № 3-4. - С. 34-39.
4 Боргер, В. В. Переработка бокситовых ресурсов и отходов глинозёмного производства // Материалы международной научно-практической конференции
«Металлургия Прииртышья в реализации программы форсированного индустриально-инновационного развития «Казахстан - 2020» (27 апреля 2011 года). Павлодар. - 2011. - С. 23-31 с.
5 Kuderin, M. К., Berndston, R. Concrete durability modifying admixture // Наука и техника Казахстана - 2016. - № 3-4. - С. 98-101.
6 Ибрагимов, А. Т. Разработка и внедрение технологии переработки низкокачественного бокситового сырья Казахстана. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. - Алматы : КазНТУ, 2010.-22 с.
7 Иванов, А. И., Кожевников, Г. И., Ситдиков, Ф. Г., Иванова, Л. П.
Комплексная переработка бокситов - Екатеринбург : Ур.РАН, 2003. - 180 с.
8 Быков, П. О., Каршигина, 3. Б., Суюндиков, М. М., Лихолобов, Е. Ю.
Актуальность повышения комплексности переработки бокситов Казахстана// Труды Международной научной конференции «Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан - 2030». - Караганда : КарГТУ, 2010. - С. 45^8.
9 Быков, П. О., Лихолобов, Е. Ю. Переработка шламов глиноземного производства АО «АК» // Наука и техника Казахстана. - 2010. - № 2. - С. 38^2
10 Касенов, А. Ж., Тлеулесов, А. К., Ахметбек, А. И. Производство бетона из отходов АО «Алюминий Казахстана» // Наука и техника Казахстана -2018. -№1. -С. 61-75.
11 Жаканов, А. И., Корниенко, П. В. Основы получения бетона с требуемыми свойствами // Наука и техника Казахстана. - 2016. - № 3-4. - С. 55-62.
12 Амбарникова, Г. А. Актуальные проблемы производства глинозёма // Материалы международной научно-практической конференции «Металлургия Прииртышья в реализации программы форсированного индустриально-инновационного развития «Казахстан - 2020» (27 апреля 2011 года). -Павлодар, 2011. - С. 18-23.
13 Eduok, S., Ferguson, R, Jefferson, В., Villa, R., Coulon, F. Aged-engineered nano particles effect on sludge anaerobic digestion performance and associated microbial communities // Science of the total environment. - T. 609. - C. 232-241. [Электронный ресурс]. -DOI: 10.1016/j\scitotenv.2017.07.178 (Опубликовано: DEC 31, 2017).
14 Semblante, G. U., Phan, И. V., Hai, F. I., Xu, Zli. Q., Price, W. E., Nghiem, L. D. The role of microbial diversity and composition in minimizing sludge production in the oxic-settling-anoxic process» // Science of the total environment, T.607. - C. 558-567, [Электронный ресурс]. - DOI: 10.1016/j.scitotenv.2017.06.253, Опубликовано: DEC 31 2017.
Материал поступил в редакцию 21.09.18.
Лгибаева Алия Жолатовна
магистрант, С. Торайгыров атындагы Павлодар мемлекеттж университета, Павлодар к., 140008, Кдзакстан Республикасы, e-mail [email protected];
Лйдар Амаижолов
магистрант, С. Topaüf ыров атындагы Павлодар мемлекетпк университет!, Павлодар к;., 140008, Казахстан Республикасы; Ларичкин Владимир Викторович
т.г.д., профессор, «Экологиянын инженерлж маселелерЬ> кафедрасы, Hoßociöip мемлекеттж техникалык; университет!, Hoßociöip к-, 630000, Ресей Федерациясы. Материал баспага 21.09.18 тустг
Глинозем owupici шламыныц негЫнде бетон коспаларыныц онтайлы одрамын эз!рлеу
К,аз1рг1 уакытта минералды шикЬаттъщ минералды ишкЬат корлары азаяды. Осы себетт, индустрияда жогары концеитрсщиялы телпр крспалары бар (25% -га дешн) бокситтерд'щ темен децгешн вцдеуге мвжбур болады, бул алюминий endipici кокыста рында жиналган ipi i<;алдьщтарды - кызыл шламды улгайтуга альт келед1.
Алюминий oudipiciuiii технологи ял ьщ процесс жагдайында телн'р OKCudmepi негЫпеи к^ызыл шламды белуге жене жууга кедерг'1 келт¡ренин боксит ишкЬатынын крснасы pemiHde трастырылады; Сонымен к,атар, оларсштткжэне алюминат epirn¡ндьчер/мен озара байланысып, oipueuie химиялыц крсылыстарды калынтастырады.
Боксит кендер/'н ецдеудщ баламалы аз калдык ад ¡стер/н табу, сондай-ак олардан цурамында meMip цурамды компоненттердг селективпй алу максатында кызыл балшыкты пайдалану мэселесш uieuiy мэселесл алюминий онеркэабше сейкес Kemdi.
Экспери.ментник жене теориялык зерттеулердщ негЫнде механохимияльщ белсенд 'цшген модификаторларды колдану арщылы бетон сапасынын кврсеттштер'ш жацеартудын нег1зг~1 ddicmepi сипатталгап.
Гылыми жэне жобалау уйымдарыныц цызметкерлерше, магистранттарга жене жогары оку орындары курылыс-металлургия факулътетшщ студенттер'ше арналган.
Ю'лтни' евздер: кызыл шлам, ондеу, технология, скандий, oitdipy, карбонизация.
Agibaeva Aliya Zholatovna
undergraduate, Department of Metallurgy, Faculty of Metallurgy, Machine Building and Transport, S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan, e-mail: [email protected]; Amanzholov Ayclar
undergraduate student, Department of Metallurgy, Faculty of Metallurgy, Machine Building and Transport, S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan; Larichkin Vladimir Viktorovich Doctor of Engineering Sciences, professor,
Department «Engineering Problems of Ecology», Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, 630000, Russian Federation. Material received on 21.09.18.
Development of the optimal composition of concrete mixtures based on
alumina sludge production
Curve fitly, stocks of mined high-quality mineral raw materials are being depleted. For this reason, the industry is forced to process lo w-grade bauxite ores with a high content of iron compounds (up to 25 %), which leads to a significant increase in the growth of large-scale waste accumulated in alumina production dumps - red sludge.
Iron oxides in the conditions of the technological process of alumina production are considered mainly as impurities of bauxite raw materials that impede the separation and washing of red mud; In addition, they can interact with alkaline and aluminate solutions, forming a number of chemical compounds.
As a result, in addition to the main component of hematite (he203), sludges are concentrators of many valuable metals.
The problem of finding alternative low-waste methods for the processing of bauxite ores, as well as solving the problem of utilizing red mud for the purpose of selective extraction of iron-containing components from them, remains relevant for the aluminum industry.
On the basis of experimental and theoretical studies, the main methods for improving the quality indicators of concrete through the use of mechanochemically activated modifiers are described.
Designed for employees of research and design organizations, undergraduates and students of construction and metallurgical faculties of universities.
Keywords: red mud, processing, technology, scandium, extraction, carbonation.
