Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
BBK 383 Строительные материалы и изделия
The article presents the results of optimization of compositions of composite binders based on flotation re-enrichment of ferrous quartzite waste with a complex of functional additives for obtaining dry construction mixtures for bulk floors. Using the mathematical design of the experiment, optimal dosage of additives was determined to ensure high technological and operational characteristics. Optimum compositions of composite binders for obtaining dry construction mixtures for bulk floors have been developed
composite astringents, waste of flotation enrichment of iron ores, physical and mechanical parameters, optimal compositions
Введение. В последние годы восстановление сырьевых ресурсов из горнопромышленных отходов и их комплексное использование во вторичном производстве являются вопросами мировой важности. Человечество всей планеты объединено проблемами загрязнения окружающей среды и истощения природных ресурсов Земли. Ежегодно во всем мире наблюдается поиск различных способов решения этих проблем, организовываются международные мероприятия и разрабатываются государственные программы по вопросам экономии сырьевых ресурсов и улучшения экологической ситуации планеты [1–7].
Вторичное использование техногенных продуктов в производстве строительных материалов позволяет решить сразу несколько проблем: рациональное использование сырьевых ресурсов планеты; утилизация существующих техногенных отходов; отказ от выделения новых полезных площадей под отвалы и хвостохранилища; создание новых высококачественных строительных материалов с требуемыми физико-механическими, эксплуатационными показателями и низкой себестоимостью [8–12].
Основная часть. Проведенные ранее исследования отходов флотационного дообогащения железистых кварцитов доказывают эффективность их использования в составе вяжущих композиций [13–17]. В настоящей работе нами разработаны оптимальные составы композиционных вяжущих на основе отходов флотации железистых кварцитов, полученные совместным помолом сырьевых компонентов в вибрационной мельнице.
C целью придания максимально полезных свойств растворам с минимальным использованием количества комплексных функциональных добавок в работе были выбраны химические добавки:
- гиперпластификатор последнего поколения Melflux 5581F;
- комплексная добавка Vinnapas 4220L (нивелирующая, пеногаситель, снижает водоотделение, диспергирующая, увеличивает адгезию, повышает обрабатываемость, препятствует седимендации наполнителя, повышает истираемость, обеспечивает гладкость и долговечность покрытия);
- комплексная добавка формиат кальция (ускоритель твердения, противоморозная добавка).
Композиционные вяжущие получены совместным помолом портландцемента, отходов флотации и комплексных функциональных добавок совместным помолом в течение 30 мин в вибрационной мельнице портландцемента марки ЦЕМ I 42,5 H (в качестве вяжущего), отходов флотационного дообогащения гематитовой фракции железистых кварцитов фракций < 0,63 мм (в качестве минерального наполнителя) при соотношении 3/7 и комплексных функциональных добавок. Подбор оптимальных составов композиционных вяжущих и исследование влияния отдельных компонентов на их физико-механические свойства осуществлялось методом математического планирования эксперимента. В качестве факторов варьирования оптимизации смеси были приняты указанные выше расходы добавок от массы цемента: Мelflux 5581F – 0,1–0,2 %; Vinnapas 4220L – 0,5–0,9 %; Формиат кальция – 1,5–2 %.
В связи с наличием пластифицирующего действия, оказываемого отходами флотационного дообогащения железистых кварцитов на гидратные системы, содержание гиперпластификатора в системе принято на 30 % ниже минимально-рекомендуемого. Условия планирования эксперимента представлены в таблице 1. В соответствии с матрицей планирования были рассчитаны 17 составов смесей для эксперимента (табл. 2), в которых варьировалось содержание добавок.
Выбор факторов и параметров оптимизации композиционных вяжущих для строительных смесей для наливных полов производился исходя из технологической и экономической целесообразности, то есть, варьирование расходов функциональных добавок преследовало цель определения их минимального количества, обеспечивающего получение выравнивающего покрытия наливного пола с требуемыми характеристиками.
Таблица 1
Условия планирования эксперимента
|
Факторы |
Уровни варьирования |
Интервал варьирования |
|||
|
Натуральный вид |
Кодированный вид |
-1 |
0 |
+1 |
|
|
Melflux 5581F, масс.% |
х1 |
0,1 |
0,15 |
0,2 |
0,05 |
|
Vinnapas 4220L, масс.% |
х2 |
0,5 |
0,7 |
0,9 |
0,2 |
|
Формиат кальция, масс.% |
x3 |
1,5 |
1,75 |
2 |
0,15 |
Выходными параметрами для подбора оптимального состава служили следующие показатели: средняя плотность и средняя прочность при сжатии. Было заформовано 17 серий образцов с содержанием 70 % цемента и 30 % отходов 3´3´3 см по 6…8 образцов в каждой серии. Количество воды затворения принималось по расплыву конуса 17 см. Образцы выдерживались в нормальных условиях твердения в течение 28 сут, после чего были проведены физико-механические испытания. Результаты испытаний представлены в таблице 2.
Таблица 2
Матрица планирования эксперимента
|
№ точки плана |
Факторы |
Физико-механические свойства |
|||
|
X1 |
X2 |
X3 |
Средняя плотность Y1, кг/м3 |
Предел прочности при сжатии Y2, МПа |
|
|
1 |
0,2 |
0,9 |
2 |
2812 |
108,63 |
|
2 |
0,2 |
0,9 |
1,5 |
2801 |
105,26 |
|
3 |
0,2 |
0,5 |
2 |
2809 |
108,60 |
|
4 |
0,2 |
0,5 |
1,5 |
2785 |
100,04 |
|
5 |
0,1 |
0,9 |
2 |
2798 |
101,01 |
|
6 |
0,1 |
0,9 |
1,5 |
2756 |
99,15 |
|
7 |
0,1 |
0,5 |
2 |
2775 |
98,75 |
|
8 |
0,1 |
0,5 |
1,5 |
2696 |
97,10 |
|
9 |
0,2 |
0,7 |
1,75 |
2803 |
106,78 |
|
10 |
0,1 |
0,7 |
1,75 |
2699 |
97,23 |
|
11 |
0,15 |
0,9 |
1,75 |
2786 |
100,46 |
|
12 |
0,15 |
0,5 |
1,75 |
2742 |
98,13 |
|
13 |
0,15 |
0,7 |
2 |
2810 |
108,61 |
|
14 |
0,15 |
0,7 |
1,5 |
2695 |
97,15 |
|
15 |
0,15 |
0,7 |
1,75 |
2792 |
98,91 |
|
16 |
0,15 |
0,7 |
1,75 |
2800 |
99,00 |
|
17 |
0,15 |
0,7 |
1,75 |
2786 |
98,41 |
После статистической обработки полученных результатов были построены математические модели изменения физико-механических свойств композиционных вяжущих.
Уравнение регрессии средней плотности. В результате статистической обработки полученных данных уравнение регрессии для средней плотности имеет следующий вид:
Y1 = 2777,5+28,6∙х1+14,6∙х2+27,1∙х3 -5,6988х12 +7,3012∙х22-
-4,199∙х32 – 8∙х1∙х2 -10,75∙х1∙х3 – 6,25∙х2∙х3.
Комплексное представление о влиянии содержания Melflux 5581F, Vinnapas 4220 L, формиата кальция на среднюю плотность композиционного вяжущего получаем, построив с помощью уравнения регрессии номограмму (рис. 1).
Рис. 1. Номограммы комплексного влияния функциональных
добавок на среднюю плотность композиционного вяжущего
Уравнение регрессии предела прочности при сжатии. В результате статистической обработки полученных данных уравнение регрессии для средней прочности при сжатии имеет следующий вид:
Y2 = 99,99+3,79∙х1+1,191∙х2+2,69∙х3+ 1,4476х12 -
- 1,2624∙х22+2,3226∙х32 + 0,1200∙х1∙х2 – 0,6200∙х2∙х3
Комплексное влияние содержания Melflux 5581F, Vinnapas 4220 L, формиата кальция на прочность композиционного вяжущего представлено на рис. 2.
Рис. 2. Номограмма комплексного влияния функциональных добавок
на среднюю прочность композиционного вяжущего
Анализируя полученные результаты по оптимизации композиционных вяжущих функциональными добавками, следует отметить, что наиболее высокие показатели прочности и плотности обеспечивают максимальные дозировки добавок, принятые в условиях планирования эксперимента (состав №1), а также максимальные дозировки добавок Melflux 5581F и формиата кальция и средняя дозировка добавки Vinnapas 4220 L (состав №3).
Полученные результаты свидетельствуют, о возможности снижения расхода Vinnapas 4220 L в составе композиционных вяжущих на 45 %.
С целью рационального использования дорогостоящей функциональной добавки Vinnapas 4220 L принят следующий оптимальный состав композиционного вяжущего: портландцемента марки ЦЕМ I 42,5 Н, 70 %; отходы флотационного дообогащения гематитовой фракции железистых кварцитов, 30%; Melflux 5581F, 0,2 % от массы цемента, Vinnapas 4220L, 0,5 % от массы цемента; Формиат кальция, 2 % от массы цемента.
Разработанный оптимальный состав композиционного вяжущего требует последующей апробации в составах сухих строительных смесей для приготовления наливных полов.
Выводы. В результате проведенных исследований разработан оптимальный состав композиционного вяжущего на основе отходов флотационного дообогащения железистых кварцитов для сухих строительных смесей для наливных полов, позволяющий снизить расход высокоэнергоемкого цемента и дорогостоящего гиперпластификатора на 30 %, с высоким показателем предела прочности при сжатии – 108,60 МПа. Применение отходов флотационного дообогащения железистых кварцитов в состав композиционных вяжущих позволяет рационально использовать природные ресурсы планеты и сократить площади хвостохранилищ.
1. Konyaev V.P. Tehnogennoe mineral'noe syr'e Rossii i napravlenie ego ispol'zova-niya. M.: Izd. ASV, 2001. 123 s.
2. Lesovik R. V., Zhernovskiy I. V. Vy-bor kremnezemsoderzhaschego komponenta kom-pozicionnyh vyazhuschih veschestv // Stroitel'-nye materialy. 2008. № 8. S. 78–79.
3. Fedulov A.A. Tehniko-ekonomicheskoe obosnovanie preimuschestva primeneniya su-hih stroitel'nyh smesey // Stroitel'nye materialy. 1999. № 3. S.26–27.
4. Kuprina A.A., Lesovik V. S., Zago-rodnyk L. H., Elistratkin M. Y. Anisotropy of Materials Properties of Natural and Man-Triggered Origin // Research Journal of Applied Sciences. 2014. №9. S. 816-819.
5. Zagorodnuk L.H., Lesovik V.S., Shkarin A.V., Belikov D.A., Kuprina A.A. Creating Ef-fective Insulation Solutions, Takinginto Ac-countthe Law of Affinity Structuresin Construc-tion Materials // World Applied Sciences Journal 24. 2013. №11. R. 1496–1502.
6. Lesovik V.S. Tehnogennyy metasoma-toz v stroitel'nom materialovedenii // Stroitel'nye materialy. 2015. №4. S. 26-30
7. Lesovik V.S., Zagorodnyuk L.H., Chulko-va I.L. Zakon srodstva struktur v materia-lovedenii // Fundamental'nye issledovaniya. 2014. № 3.Ch. 2. S. 267–271.
8. Lesovik V. S., Zagorodniyk L.H., Chulkova I.L.The Role of the Law of Affinity Structures in the Construction Material Science by Performance of the Restoration Works // Re-search Journal of Applied Sciences. 2014. №9. R. 1100–1105.
9. Volzhenskiy A. V. Mineral'nye vyazhu-schie veschestva. M.: Izd. Stroyizdat, 1979. 302 s.
10. Fedulov A.A. Tehniko-ekonomicheskoe obosnovanie preimuschestva primeneniya su-hih stroitel'nyh smesey // Stroitel'nye materialy. 1999. № 3. S. 26–27.
11. Zagorodnyuk L.H., Lesovik V.S., Gay-nutdinov R. Specifika tverdeniya stroitel'-nyh rastvorov na osnove suhih smesey // Vestnik Central'nogo regional'nogo otde-leniya RAASN. 2014. №4. S. 93–98.
12. Lesovik V.S., Zagorodnuk L.H, Tolma-cheva M.M., Smolikov A.A., Shekina A.Y., Shakarna M.H.I. Structure-formation of contact layers of composite materials // Life Science Journal. 2014. №11. R. 948–953.
13. Lesovik V.S., Zagorodnyuk L.H., Belikov D.A., Schekina A.Yu., Kuprina A.A. Effek-tivnye suhie smesi dlya remontnyh i vosstanovitel'nyh rabot // Stroitel'nye materia-ly. 2014. №7. S. 82–85.
14. Shapovalov N.A., Tikunova I.V., Zagorodnyuk LH., Shkarin A.V., Schekina A.Yu. Shlaki metallurgicheskogo proizvodstva-effektivnoe syr'e dlya polucheniya suhih stroitel'nyh smesey // Fundamental'nye issledovaniya. 2013. №1. Ch.1. S. 167–172.
15. Othody obogascheniya gornorudnoy promyshlennosti v proizvodstve stroitel'-nyh materialov / L. H. Zagorodnyuk, A. Yu. Schekina, D. Yu. Popov, V. S. Il'chenko, O. I. Shiryaev // Aktual'nye problemy sovremen-noy nauki v 21 veke: Materialy I mezhdunar. nauch.-prakt.konf, (Moskva, 31 mart. 2013 g.), M.: Izd-vo Pero, 2013. S. 41–43.
16. Shapovalov N.A., Zagorodnyuk L.H, Tikunova I.V., Schekina A.Yu. Racional'nye puti ispol'zovaniya staleplavil'nyh shlakov // Fundamental'nye issledovaniya. 2013. №5. S. 57– 63.
17. Shapovalov N.A., Zagorodnyuk L.H., Tikunova I.V., Schekina A.Yu., Shiryaev O.I., Krayniy A.A., Popov D.Yu., Gorodov A.I. Is-sledovanie vozmozhnosti ispol'zovaniya ot-hodov flotacii zheleznyh rud dlya polucheniya smeshennyh cementov // Fundamental'nye issledovaniya. 2013. № 10-8. S. 1718–1723.
