Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАЦИОНАЛЬНОГО СОСТАВА МНОГОКОМПОНЕНТНОГО МИНЕРАЛЬНОГО ВЯЖУЩЕГО НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ЖАМБЫЛСКОГО ПРОМЫШЛЕННОГО УЗЛА

Тургумбаева Х.Х. 1 Лапшина И.З. 1 Бейсекова Т.И. 1 Керимбаева И.Н. 1 Абдуалиева Ж.У. 1
1 Казахский национальный исследовательский технический университет имени К.И. Сатпаева
В статье описаны способы моделирования составов композиционных материалов на основе техногенных отходов Жамбылского региона. Показано, что в основном технологическом процессе промышленные отходы проходят высокотемпературную обработку с образованием минералов. Предлагается их фазовый и химический составы рассматривать в системе CaO – SiO2 – Al2O3. Диаграмму системы CaO – SiO2 – Al2O3 можно использовать в качестве технической модели для определения оптимального состава основных оксидов вяжущего материала на основе техногенного сырья. Указано, что необходимым условием моделирования составов является наличие в сырьевых компонентах основных оксидов. С помощью технической модели, представленной базисом трехкомпонентной системы, установлен рациональный состав многокомпонентного минерального вяжущего. На основе обобщения теоретических положений строительного материаловедения и опыта исследований в области синтеза безобжиговых вяжущих систем предложен метод комплексного использования промышленных отходов в производстве строительных материалов.
композиционные материалы
трехкомпонентные системы
техническая модель
диаграмма Ранкина
системный подход
портландцемент
техногенные отходы
Абдуалиева Ж.У., Дуримбетова Ф.Ж., Керимбаева И.Н., Тургумбаева Х.Х., Лапшина И.З., Бейсекова Т.И., Шанбаев М.Ж. Обоснование рационального состава многокомпонентного минерального вяжущего из фторичных продуктов фосфорной промышленности Жамбылской области // Сборник научных трудов конференции «Международные Сатпаевские чтения» посв. 80-летию КазНТУ, апрель 2014 г. 2 том. – С. 553–529.
Бондаренко Г.В., Каптюшина А.Г. Проектирование состава композиционного безобжигового вяжущего на базе техногенных отходов Череповецкого промышленного узла и исследование его технических характеристик // Химическая промышленность сегодня. – 2011. – № 11. – С. 37–41.
Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности Ростов-на-Дону. – Феникс, 2007. – С. 51.
Тургумбаева Х.Х., Бейсекова Т.И., Лапшина И.З., Вакал С.В., Керимбаева И.Н., Шанбаев М.Ж., Манауова Н.К, Аякешова А.К. Формирование местной сырьевой базы на основе техногенных отходов Жамбылского региона // Химический журнал Казахстана. – 2013. – № 2. – С. 151–157.
Сидоров В.И. Химия в строительстве: Ассоциация строительных вузов. – М.: 2007. – 184 с.
Huang Yun, Lin Zhongshou. A binder of phosphogypsum-ground granulated blast furnace slag-ordinary portland cemen // J. Wuhan Univ. Technol. Mater. Sci. Ed. – 2011. – 26, № 3. –
Р. 548–551.
Martinez-Aguilar O.A., Castro-Borges P., Escalante-Garcia J.I. Hydraulic binders of Fluorgypsums Portland cement and blast furnace slag, stability and mechanical properties // Constr. and Build. Mater. – 2010. – 24, № 5. – P. 631–639.

Мировой опыт показывает, что одним из экономически и экологически целесообразных направлений утилизации отходов фосфорной промышленности является использование их в строительной индустрии для получения различных строительных материалов. Строительство является одним из наиболее материалоёмких производств, требующих расширения ассортимента применяемых вяжущих и строительных смесей, основными компонентами которых могут быть разнообразные техногенные отходы промышленности. Для решения вышеуказанных проблем предпочтительно использовать местные техногенные материалы – отходы фосфорного производства, такие как фосфорные шлаки, фосфогипс, а также вскрышные породы добычи фосфоритов.

Цель исследования

Целью исследования является снижение воздействия предприятий фосфорной промышленности РК на компоненты окружающей среды путем использования промышленных отходов в качестве сырья для строительной индустрии и дорожного строительства.

Материалы и методы исследования

Перспективность исследований по утилизации крупнотоннажных отходов фосфорной промышленности Жамбылского региона – фосфогипс, фосфорные шлаки, вскрышные породы с получением на их основе вяжущих и композиционных строительных материалов.

1. Для разработки научно-обоснованной технологии получения композиционных материалов для строительства необходимо исследование состава и свойств исходных сырьевых материалов проводились с использованием современных методов:

– Количественный химический анализ состава исходных техногенных отходов с использованием гравиметрического, спектрофотометрического, потенциометрического, комплексонометрического, титриметрического методов анализа;

– Минералогический состав техногенного сырья с использованием рентгеноструктурного, спектрального, дифференциально-термического и петрографического методов анализа;

– Физические и механические свойства техногенных отходов с использованием адсорбционного, гранулометрического, седиментационного, пикнометрического методов анализа;

– Санитарно-гигиеническая оценка техногенных отходов с использованием радиологического и токсикологического методов анализа.

2. Определение оптимального состава вяжущих и минеральных смесей на основе техногенного сырья с использованием диаграммы Ранкина трехкомпонентной системы СаO-SiO2-Al2O3 в качестве технической модели для проектирования состава сырьевой смеси материала.

Результаты исследования и их обсуждения

Поскольку в основном технологическом процессе промышленные отходы проходят высокотемпературную обработку с образованием минералов, представляется возможным их фазовый и химический составы рассматривать в системе CaO – SiO2 – Al2O3, а диаграмму этой системы использовать в качестве технической модели для определения оптимального состава основных оксидов разрабатываемого вяжущего материала на базе техногенного сырья [1, 2]. Для решения задачи по проектированию оптимального состава композиционного безобжигового вяжущего в системе CaO – SiO2 – Al2O3 принята некоторая значимая область, к границам который необходимо привести физико-химические характеристики сырьевых компонентов, которые наиболее близко отвечают его типичному составу и обобщены сходными признаками вяжущих веществ [3, 4, 7].

На данном этапе, исходя из анализа научных разработок по поиску оптимальных структур безобжиговых вяжущих с улучшенными эксплуатационными свойствами, принимая во внимание существующую сырьевую базу техногенных отходов с определенным фазовым составом, учитывая их свойства и химический состав, нами была выдвинута гипотеза о возможности получения композиционного безобжигового вяжущего, проектируемого в системе CaO – SiO2 – Al2O3 из отходов промышленности.

Анализ областей расположения промышленных отходов Жамбылского региона по отношению к областям расположения известных материалов (стекло, портландцемент, глиноземистый цемент и т.п.) с совпадением (или не совпадением) химического и минералогического состава в системе CaO – SiO2 – Al2O3 позволяет определить, к границам какой группы материалов ближе находится исследуемый отход и, соответственно, в какую группу потенциально он может войти. Для создания новых видов композиционных минеральных безобжиговых вяжущих предлагается вариант, когда значения находятся на границе множества свойств портландцемента (эталон).

Для практической реализации создания композиционного безобжигового вяжущего на основе трехкомпонентной системы CaO – SiO2 – Al2O3, принятой за техническую модель (рис. 1), необходимым условием является наличие в сырьевых компонентах оксидов CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3.

 

tur1.tif

Рис. 1. Система CaO – SiO2 – Al2O3 (диаграмма Ранкина)

Таблица 1

Минимальные и максимальные значения содержания основных оксидов, приведенных к 100 %, в техногенных отходов фосфорной промышленности Жамбылского региона

1. Гранулированный шлак НДФЗ

Основной оксид

Максимальное содержание, %

∑ = 89,01 = 100 %

Минимальное содержание, %

∑ = 78,72 = 100 %

CaO

Al2O3

SiO2

37,67

42,33

34,12

43,35

1,70

1,91

0,90

1,15

44,19

49,65

38,70

49,17

Fe2O3

5,45

6,13

5,00

6,36

2. Доломит (вскрышные породы Каратау)

Основной оксид

Максимальное содержание, %

∑ = 34,03 = 100 %

Минимальное содержание, %

∑ = 31,25 = 100 %

CaO

Al2O3

SiO2

30,20

88,75

28,10

89,92

0,15

0,44

0,05

0,16

0,17

0,50

0,09

0,29

Fe2O3

3,51

10,31

3,01

9,64

3. Известняк (вскрышные породы Каратау)

Основной оксид

Максимальное содержание, %

∑ = 48,51 = 100 %

Минимальное содержание, %

∑ = 44,09 = 100 %

CaO

Al2O3

SiO2

44,20

91,12

41,00

93,00

0,15

0,31

0,05

0,12

1,17

2,40

0,70

1,59

Fe2O3

2,99

6,17

2,34

5,31

4. Литой шлак Химпрома

Основной оксид

Максимальное содержание, %

∑ = 89,71 = 100 %

Минимальное содержание, %

∑ = 82,24 = 100 %

CaO

Al2O3

SiO2

41,70

46,49

38,00

46,21

0,15

0,17

0,05

0,06

43,10

48,05

40,10

48,76

Fe2O3

4,76

5,31

4,09

4,98

5. Фосфогипс (лежалый), з-д «Минеральных удобрений»

Основной оксид

Максимальное содержание, %

∑ = 43,99 = 100 %

Минимальное содержание, %

∑ = 36,20 = 100 %

CaO

Al2O3

SiO2

27,32

62,11

24,23

66,94

0,50

1,14

0,15

0,42

15,16

34,47

11,42

31,55

Fe2O3

1,01

2,30

0,4

1,11

6. Фосфато-кремнистые сланцы, м-е «Коксу»

Основной оксид

Максимальное содержание, %

∑ = 82,40 = 100 %

Минимальное содержание, %

∑ = 79,51 = 100 %

CaO

Al2O3

SiO2

5,90

7,16

5,01

6,31

9,80

11,90

9,00

11,32

61,60

74,76

60,90

76,59

Fe2O3

5,10

6,18

4,60

5,78

7. Фосфато-глинистые сланцы, м-е «Коксу»

Основной оксид

Максимальное содержание, %

∑ = 87,52 = 100 %

Минимальное содержание, %

∑ = 85,62 = 100 %

CaO

Al2O3

SiO2

4,51

5,16

4,21

4,92

3,75

4,28

3,31

3,86

75,81

86,62

75,01

87,61

Fe2O3

3,45

3,94

3,09

3,61

Окончание табл. 1

8. Фосфатизированный доломит (плитчатый), м-е «Коксу»

Основной оксид

Максимальное содержание, %

∑ = 40,79 = 100 %

Минимальное содержание, %

∑ = 36,98 = 100 %

CaO

Al2O3

SiO2

24,98

61,24

23,90

64,63

1,89

4,63

1,10

2,97

10,99

26,95

9,98

26,99

Fe2O3

2,93

7,18

2,00

5,41

9. Фосфатизированные кремни, м-е «Жанатас»

Основной оксид

Максимальное содержание, %

∑ = 87,46 = 100 %

Минимальное содержание, %

∑ = 85,11 = 100 %

CaO

Al2O3

SiO2

5,79

6,62

4,91

5,77

2,00

2,29

1,74

2,05

76,89

87,91

76,12

89,44

Fe2O3

2,78

3,18

2,34

2,75

 

Области расположения вторичных продуктов фосфорной промышленности Жамбылской области на диаграмме состояния CaO – SiO2 – Al2O3 определяются пределами минимальных и максимальных значении.

По данным таблицы сумма основных оксидов CaO, SiO2, Al2O3 в сырьевых материалах приводится к 100 %, и из полученного результата вычисляются доли каждого элемента отдельно. Результаты представлены в табл. 1.

При наложении граничных значений вторичных продуктов фосфорной промышленности Жамбылской области, согласно полученным значениям, (рис. 2) на области минералов диаграммы Ранкина, уточненной по Э. Осборну, можно отметить, что зоны расположения химического и минералогического составов совпадают [5].

В данном случае можно поставить вопрос об активном воздействии приближения свойств промышленных отходов к свойствам конкретного материала, т.е. к множеству значений рекомендуемого свойства. Для этого на диаграмме тройной системы CaO – SiO2 – Al2O3 помещаем составы промышленных отходов Жамбыского региона с необходимыми свойствами и за счет комплексного использования (смешивания) в математически обоснованных соотношениях приближаем количественный химический состав к центру множества значений рекомендуемых свойств конкретного материала.

Таким образом, для создания нового эффективного материала, необходимо: содержание основных оксидов CaO, Al2O3, SiO2 вторичных продуктов промышленности вычислить в массовых долях от 100 % и долевой химический состав привести к типичному составу основных оксидов конкретного строительного материала в системе CaO – SiO2 – Al2O3.

Приведенные рассуждения позволяют предположить следующее. Если на диаграмме Ранкина в системе CaO – SiO2 – Al2O3 (рис. 2) принять некоторую значимую область (Д), к границам которой необходимо привести физико-химические характеристики сырьевых компонентов (А, Б, В,), наиболее близко отвечающие ее типичному составу и обобщенным характерным признакам, то можно получить новый композиционный строительный материал.

Наиболее значимой областью в системе CaO – SiO2 – Al2O3 является область портландцемента (Д), который на сегодняшний день из всех вяжущих материалов обладает наилучшими физико-механическими и техническими характеристиками, но требует больших энергетических затрат при его производстве.

Основное условие – максимально приблизить химический состав и свойства области компонентов (А, Б, В) к химическому составу области портландцемента (Д) выполнялось методом расчета по программе Microsoft Office Excel (табл. 2).

При расчете состава компонентов вяжущего принят во внимание тот фактор, что в процессах гидратации гидравлических вяжущих оксид железа (Fe2O3) оказывает положительное влияние.

В высокотемпературной химии цемента при изучении физико-химических процессов в системе CaO – SiO2 – Al2O3 показано, что новообразования C2F, CF, происходящие на границе раздела СаО – Fe2O3, в конечном итоге оказывают активное влияние на структурообразование и свойства материала [5, 6].

Таблица 2

Результаты расчета составов новых строительных композитов

Состав 1

Техногенные отходы

Жамбылского региона

Эталон

Расчетные значения оксидов сырьевой смеси проектируемого вяжущего, приведенные к значениям эталона

Оксиды

Фосфато-глинистый сланец

Фосфо-гипс

Известняк

Портланд-цемент

CaO

5,18

64,56

91,62

67,52

67,52

Si2O

86,87

32,4

2,02

23,3

23,29

Al2O3

4,28

1,1

0,21

5,62

0,939

Fe2O3

3,67

1,94

6,15

3,56

3,56

Долевые значения компонентов в вяжущем

0,0711

0,5049

0,3771

1

95,3≈100

Состав 2

Техногенные отходы

Жамбылского региона

Эталон

Расчетные значения оксидов сырьевой смеси проектируемого вяжущего, приведенные к значениям эталона

Оксиды

Фосфато-кремнистый сланец

Фосфо-гипс

Известняк

Портланд-цемент

CaO

6,3

64,56

91,62

67,52

67,52

Si2O

76,27

32,4

2,02

23,3

23,29

Al2O3

11,45

1,1

0,21

5,618

1,392

Fe2O3

5,98

1,94

6,15

3,56

3,56

Долевые значения компонентов в вяжущем

0,0623

0,5509

0,3444

1

95,8≈100

Состав 3

Техногенные отходы

Жамбылского региона

Эталон

Расчетные значения оксидов сырьевой смеси проектируемого вяжущего, приведенные к значениям эталона

Оксиды

Гранулированный шлак

Фосфо-гипс

Известняк

Портланд-цемент

CaO

42,8

64,6

91,62

67,52

67,52

Si2O

49,5

23,3

32,4

23,3

23,29

Al2O3

1,6

1,1

0,3

5,618

1,392

Fe2O3

6,1

1,9

6,1

3,56

3,56

Долевые значения компонентов в вяжущем

0,1077

0,3091

0,5356

1

95,2 ≈ 100

tur2.tif

Рис. 2. Диаграмма состояния системы CaO – SiO2 – Al2O3

tur3.tif

Рис. 3. Диаграмма состояния системы CaO – SiO2 – Al2O3

 

Системный подход при проектировании состава многокомпонентного минерального вяжущего (ММВ) позволил получить композиционный материал сложной структуры, состоящий из минеральных материалов с резко различными свойствами и приобретающий в результате их сочетания комплекс новых свойств, не присущих исходным материалам. В этом случае проявляется синергетический эффект (рис. 3).

Выводы

Анализ расположения различных строительных материалов и сырьевых компонентов в системе CaO – SiO2 – Al2O3, по химическому и минералогическому составу позволил определить, что исследуемые вторичные продукты промышленности ближе всего находятся к границе портландцемента.

Необходимо отметить, что предложенную методологию можно использовать не только для решения задач проектирования оптимального состава сырьевой смеси вяжущего, но и для других композиционных строительных материалов на основе комплексного подхода по использованию техногенных отходов различных промышленных регионов страны.

Использование диаграмм тройных систем для прогнозирования твердых фазовых образований в композициях с различным химическим и минералогическим составом позволил предложить использование базиса трехкомпонентной системы CaO – SiO2 – Al2O3 в качестве технической модели для проектирования новых композитов строительных материалов.


Библиографическая ссылка

Тургумбаева Х.Х., Лапшина И.З., Бейсекова Т.И., Керимбаева И.Н., Абдуалиева Ж.У. МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАЦИОНАЛЬНОГО СОСТАВА МНОГОКОМПОНЕНТНОГО МИНЕРАЛЬНОГО ВЯЖУЩЕГО НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ЖАМБЫЛСКОГО ПРОМЫШЛЕННОГО УЗЛА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 10-1. – С. 71-76;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=7384 (дата обращения: 03.07.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074