CC BY
276
УДК 691.3:622.341.1
ЖЕЛЕЗОРУДНЫЙ КОНЦЕНТРАТ КАК КОМПОНЕНТ СПЕЦИАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Б.И. Гуревич, Е.В. Калинкина, А.М. Калинкин, В.В. Тюкавкина, Е.С. Серова
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН, Апатиты, Россия
Аннотация
Механоактивированный железорудный концентрат ОАО «Олкон» рассмотрен в качестве компонента специальных смешанных вяжущих, обладающих большой объемной массой. Исследованы композиции портландцемент - ЖРК -вода и ЖРК - гипс - вода. Установлено, что методом прессования возможно получить материал на основе механоактивированных композиций ЖРК - гипс (фосфогипс) с прочностью ~10 МПа и объемной массой 3.8-3.9 г/см3, состоящий из 95-98% ЖРК и 5-2% гипса. Этот материал может быть использован для изготовления специальных облицовочных плиток, защищающих от радиации.
Ключевые слова:
железорудный концентрат, композиционные вяжущие, механоактивация.
IRON-ORE CONCENTRATE AS A COMPONENT OF SPECIAL COMPOSITE BUILDING MATERIAL
B.I. Gurevich, E.V. Kalinkina, A.M. Kalinkin, V.V. Tukavkina, E.S. Serova
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Kola Science Centre of the RAS, Apatity, Russia
Abstract
Mechanically activated iron-ore concentrate (IOC) JSC «OLKON» has been studied as a component of special composite binding material with a large volume weight. Portland cement - IOC - water and IOC - gypsum -water compositions have been investigated. It has been concluded that it is possible to obtain material based on the mechanically activated iron-ore concentrate and gypsum (phosphogypsum) using pressing method. This material consists of 95-98% IOC and 5-2% gypsum and its compressive strength is ~10 MPa and volume weight is 3.8-3.9 g/cm3. This material can be used for production of the special facing tiles protecting from radiation.
Keywords:
iron-ore concentrate, blended cement, mechanical activation.
Железорудный концентрат (ЖРК), полученный из железистых кварцитов Оленегорского месторождения, включающих минералы железа - магнетит, гематит, магнезиально-железистые силикаты, в данной работе рассмотрен в качестве возможного сырья для получения вяжущих материалов и мелкозернистых бетонов специального назначения, обладающих большой удельной массой. Вяжущие такого типа находят применение при строительстве атомных станций для защиты от у-излучения [1]. Также исследовано взаимодействие ЖРК с гипсом, которое, возможно, могло бы найти применение в технологии грануляции и брикетирования концентратов руд [2].
Химический состав использованного ЖРК ОАО «Олкон», мас. %: Fe2O3 - 63.40, FeO - 26.70, SiO2 - 7.75, MgO - 0.80, CaO - 0.60, Al2O3 - 0.40, MnO - 0.11, Na2O - 0.06, K2O - 0.06, TiO2 - 0.05, P2O5 - 0.02, п.п.п. - 0.05. Минеральный состав ЖРК: магнетит - 91.0-92.0, гематит - 1.0-2.0, кварц - 2.0-3.0, амфибол - 0.5-1.0, пироксен -
0.3-0.5, полевой шпат - 0.5-1.0, прочие - 0.2-0.5. По гранулометрическому составу ЖРК представляет собой мелкозернистый продукт с модулем крупности Мк = 1.8. Двуводный гипс представлен двумя образцами -природный гипс и фосфогипс. Для повышения реакционной способности компонентов их смеси подвергали механоактивации (МА) на планетарной мельнице АГО-2 в воздушной среде в течение 270 с.
Композиция портландцемент - ЖРК - вода. К смеси портландцементного (ПЦ) клинкера с 5 мас. % гипса добавляли тонкомолотый ЖРК с целью получить вяжущее с объемной массой, превышающей плотность обычного портландцемента. Сравнивали прочность при сжатии полученного смешанного вяжущего, в составе которого количество клинкера уменьшали от 100 мас. % вплоть до 1 мас. %, замещая его ЖРК, с прочностью чистого ПЦ с учетом доли последнего в соответствующих смесях. Образцы твердели во влажных условиях при температуре 20±2оС. Результаты экспериментов приведены в табл.1.
Данные по прочностям при сжатии (Асж), приведенные в табл.1, показывают, что при твердении изученных композиций ЖРК - клинкер - гипс (5 мас. %) для всех составов и сроков твердения получаем прочность, превосходящую расчетную величину, определенную на основе содержания ПЦ клинкера в композиции (считая, что ЖРК - инертный наполнитель). Относительный прирост прочности составляет от 1.2 до 29.0%. Вместе с тем измеренная объемная масса затвердевшего материала не достаточно высока. Как у обычного ПЦ, она находится в пределах 2.3-2.4 г /см3 независимо от содержания ЖРК в смеси, что объясняется удобоукладываемостью массы.
522
Таблица 1. Влияние добавки ПЦ клинкера и 5 мас. % гипса к ЖРК на прочность при сжатии (Ясж) образцов, твердеющих во влажных условиях (состав 1:0)
№ состава Состав, мас. % S, м2/кг В/Т Ясж через.. ..сут, МПа Ясж, % через....сут че ^Ясж, % рез..сут
клинкер ЖРК 7 28 180 7 28 180 7 28 180
Б/н 100 - 710 0.31 48.3 58.3 69.5 100 100 100 - - -
7 70 30 592 0.26 34.4 52.2 53.2 71.2 89.9 76.5 1.2 19.9 6.5
6 50 50 558 0.25 32.1 47.7 49.1 66.5 81.8 71.0 16.5 31.8 21.0
5 30 70 500 0.25 26.3 34.3 38.7 54.4 59.0 55.7 24.4 29.0 25.7
4 10 90 428 0.21 16.4 16.8 16.8 34.0 28.9 24.2 24.0 18.9 14.2
3 5 95 449 0.20 5.0 5.6 6.7 10.4 9.6 9.6 5.4 4.6 4.6
2 3 97 463 0.19 3.1 3.0 3.0 6.4 5.2 4.3 3.4 2.2 1.3
1 1 99 466 0.18 0.7 0.9 0.7 1.4 1.5 1.0 0.4 0.5 0.5
Таким образом, для получения специального вяжущего с необходимой объемной массой подход, основанный на «разбавлении» портландцемента механоактивированным железорудным концентратом, не дает желаемых результатов.
Композиция ЖРК - гипс - вода. Смесь ЖРК с 5-10 мас. % природного двуводного гипса (в некоторых опытах вместо природного гипса добавляли фосфогипс) подвергали МА в планетарной мельнице в течение 270 с. В некоторых опытах к этим составам добавляли малые (1-5 мас. %) количества ПЦ клинкера. Следует отметить, что природный гипсовый камень не подвергали предварительной термической обработке для превращения его в полуводный гипс, как при обычной гипсовой технологии [3].
Прочности при сжатии и плотность затвердевшего материала для пластичных образцов состава 1:0, твердевших на воздухе при температуре 20±2оС и влажности 60-70%, приведены в табл.2. Согласно этим результатам, полученное воздушное вяжущее обладает прочностью до 15 МПа, но недостаточно высокой объемной массой (у).
Таблица 2. Влияние добавки гипса и ПЦ клинкера к ЖРК на прочность при сжатии образцов воздушного твердения (состав 1:0) и объемную массу (у)
№ Состав, мас. % S, м2/кг В/Т Яс:ж % че ез..сут у, г/см
состава ЖРК клинкер гипс 1 7 28 180
8 99 1 5 470 0.18 6.9 14.8 15.2 15.0 2.5
9 97 3 5 465 0.19 3.2 4.1 4.2 4.9 2.9
10 95 5 5 452 0.20 2.7 5.6 4.7 - 3.7
12 99 1 5 466 0.25 1.3 1.6 1.4 - -
Согласно данным табл.3, замена природного гипса на фосфогипс не оказывает существенного влияния на прочность затвердевшего материала.
Таблица 3. Влияние вида сульфатной добавки на прочность образцов воздушного твердения
№ состава Состав, мас.% В/Т Ясж через.. ..сут, МПа
ЖРК гипс фосфогипс клинкер 1 7 28
11 100 5 - - 0.25 1.9 4.0
19 100 - 5 - 0.25 0.9 2.0
13 100 10 - - 0.28 1.7 5.4
17 100 - 10 - 0.25 1.7 2.2
12 99 5 - 1 0.25 1.3 1.6
18 99 - 5 1 0.25 0.7 1.4
Предположительно, механизм твердения исследованных композиций следующий. Согласно данным РФА, в механоактивированной смеси ЖРК и природного гипса исчезают рефлексы двуводного гипса, присутствующего в исходной композиции (рис., слева). В то же время в ИК-спектрах исходной и механоактивированной смеси присутствуют полосы деформационных колебаний воды 1621 и 1686 см-1, совпадающие по положению с аналогичными полосами двуводного гипса (рис., справа). Это указывает на то, что при МА исходной смеси не происходит дегидратации двуводного гипса, а имеет место частичная аморфизация компонентов, затрагивающая в большей степени природный гипс. Это приводит к тому, что существенно увеличивается его растворимость, приводящая к образованию раствора, пересыщенного по двуводному гипсу. После образования пересыщенного раствора дальнейшее растворение аморфизированного
523
двуводного гипса затрудняется, и вместо этого образуется коллоидальная гелеобразная масса, которая с течением времени кристаллизуется, образуя двуводный гипс, и становится цементирующей связкой для тонкоизмельченного ЖРК. Рефлексы двуводного гипса проявляются в рентгенограммах и ИК-спектрах
7-суточных затвердевших образцов (рис.).
Рентгенограммы (слева) и ИК-спектры (справа) композиции ЖР - природный гипс (10 мас. %):
1 - исходная смесь без МА; 2 - механоактивированная смесь; 3 - затвердевший материал на основе МА-смеси в возрасте 7 сут; 4 - природный гипс
С целью повышения объемной массы материала на основе разработанного смешанного вяжущего изготовили образцы цилиндров, в состав которых вводили немолотый ЖРК в качестве наполнителя. Соотношение вяжущее : немолотый ЖРК составляло 1:1. Цилиндры с поперечным сечением 2х2 см2, прессованные под давлением 50+3 МПа, твердели в течение 1 сут в указанных выше условиях. Результаты измерения прочности при сжатии и плотности затвердевшего материала приведены в табл.4.
Таблица 4. Влияние состава вяжущего и отношения В/Т на прочность Ясж прессованных образцов и их объемную массу (состав 1:1) при твердении на воздухе
№ Состав вяжущего, мас. % В/Т -^сж у, г/см3
ЖРК гипс фосфогипс клинкер
20 100 5 - - 0.07 3.5 3.12
20 100 5 - - 0.13 5.4 3.20
20 100 5 - - 0.09 9.2 3.84
22 100 10 - - 0.09 6.0 3.81
23 100 - 10 - 0.09 10.7 3.94
21 100 - 5 - 0.09 9.0 3.81
24 99 5 - 1 0.09 3.5 3.79
25 99 - 5 1 0.09 5.3 3.86
Заключение
Полученные результаты свидетельствуют, что методом прессования возможно получить материал на основе механоактивированных композиций ЖРК - гипс (фосфогипс) с прочностью ~10 МПа и объемной массой 3.8-3.9 г/см3, состоящий из 95-98% ЖРК и 5-2% гипса. Этот материал может быть использован для изготовления специальных облицовочных плиток, защищающих от радиации.
Литература
1. Влияние механоактивации бадделеитового концентрата на его вяжущие свойства в составе смешанных цементов / Б.И. Гуревич, А.М. Калинкин, В.В. Тюкавкина, Е.В. Калинкина // ЖПХ. 2011. Т. 84, № 5. С. 736-737.
2. Равич Б.М. Брикетирование руд. М.: Недра, 1982. 183 с.
3. Коровяков В.Ф. Гипсовые вяжущие и их применение в строительстве // Рос. хим. журнал. 2003. Т. XLVII, № 4. С. 18-23.
Сведения об авторах
Гуревич Бася Израилевна,
к.т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, [email protected] Калинкина Елена Владимировна,
к.т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, [email protected]
524
Калинкин Александр Михайлович,
д.х.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, [email protected] Тюкавкина Вера Владимировна,
k. т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, [email protected]
Серова Екатерина Сергеевна,
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, [email protected]
Gurevich Basia Izrailievna,
PhD (Engineering), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, [email protected] Kalinkina Elena Vladimirovna,
PhD (Engineering), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, [email protected] Kalinkin Alexander Mikhailovich,
Dr.Sc. (Chemistry), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, [email protected] Tukavkina Vera Vladimirovna,
PhD (Engineering), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, [email protected] Serova Ekaterina Sergeevna,
l. V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, [email protected]
УДК 538.911
РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ СТАЛАКТИТОВ
Т.А. Екимова, А.И. Григорчук, К.А. Екимов
Петрозаводский государственный университет, Петрозаводск, Россия Аннотация
Проведены рентгенографические исследования нескольких образцов техногенных сталактитов. Показано, что все образцы являются однофазными и представляют собой кальцит. Во всех исследованных образцах сталактитов текстура имеет одинаковый характер. Текстура не является аксиальной, а имеет сложный многокомпонентный характер и хорошо описывается методом симметризированных гармоник.
Ключевые слова:
техногенные сталактиты, дифракционные методы исследования.
THE X-RAY STUDIES OF TECHNOGENIC STALACTITES
T.A. Ekimova, A.I. Grigorchuk, K.A. Ekimov
Petrozavodsk state university, Petrozavodsk, Apatity Abstract
The X-ray studies have been carried out for several samples of technogenic stalactites. It has been shown that all the samples are single phase and are calcite. In all the samples of stalactites the texture has the same character. The texture is not the axial, and has a complex multi-character and is well described by the simmetrical harmonics method.
Keywords:
technogenic stalactites, x-ray studies.
Карбонатные сталактиты и сталагмиты образуются не только в пещерах. Сталактиты известны и в искусственных сооружениях из бетона или сцементированных строительных материалов: на потернах плотин, мостах, стенах сооружений. Такие сталактиты называют техногенными. Описаны сталактиты на своде Рюриковской крепости в Старой Ладоге, в подвалах Петродворца, под Кировским мостом в Санкт-Петербурге. Сталактиты обнаружены в подвале Парижского вокзала, а сталактитоподобные образования - в Вене, на крыше Парламента, на памятнике Моцарту и других объектах.
525
