mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2025.6.920-931mgssuvest-658Research ArticleСтроительное материаловедениеConstruction material engineeringОценка возможности и эффективности использования террикоников Кизеловского угольного бассейна в качестве минеральной добавки в цементных системахEstimation of possibility and efficiency of using coal gangue from Kizel coal basin as a mineral additive in cement systemshttps://orcid.org/0009-0006-9470-1220ТалейкоА. А.TaleikoA. A.

Андрей Алексеевич Талейко — аспирант кафедры строительного инжиниринга и материаловедения

614000, г. Пермь, Комсомольский пр-т, д. 29

РИНЦ AuthorID: 1221611, Scopus: 58204751900

Andrei A. Taleiko — postgraduate student of the Department of Construction Engineering and Materials Science

29 Komsomolsky prospekt, Perm, 614000

RSCI AuthorID: 1221611, Scopus: 58204751900

taleyko.99@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0659-3324ЛеонтьевС. В.LeontevS. V.

Степан Васильевич Леонтьев — кандидат технических наук, доцент кафедры строительного инжиниринга и материаловедения

614000, г. Пермь, Комсомольский пр-т, д. 29

РИНЦ AuthorID: 704103, Scopus: 57193724081

Stepan V. Leontev — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Construction Engineering and Materials Science

29 Komsomolsky prospekt, Perm, 614000

RSCI AuthorID: 704103, Scopus: 57193724081

n1306cl@yandex.ruПермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ)РоссияPerm National Research Polytechnic University (PNRPU)Russian Federation202530062025206920931Copyright © Талейко А.А., Леонтьев С.В., 20252025Талейко А.А., Леонтьев С.В.Taleiko A.A., Leontev S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/658Введение

Введение. Применение минеральных добавок (МД) для цементов и материалов, изготавливаемых на цементной основе, позволяет не только придавать им специальные свойства, но и увеличивает объемы их производства и использования, а также решает вопросы утилизации отходов промышленности. Так, в Пермском крае на территории Кизеловского угольного бассейна не решенной остается проблема ликвидации большого количества отходов угледобычи (террикоников). Цель исследования — оценить возможность и эффективность применения террикоников в качестве МД в цементных системах.

Материалы и методы

Материалы и методы. Использовался портландцемент типа ЦЕМ I, перегоревший терриконик («красный» терриконик), негорелый терриконик («черный» терриконик), а также монофракционный кварцевый песок. Термоактивация «черного» терриконика проводилась при 700 °С в муфельной печи в течение двух часов. Химический состав террикоников определялся флуоресцентным рентгеноспектральным методом, минералогический состав — методом экспрессного рентгенографического количественного фазового анализа, термический анализ — методом синхронного ДСК/ТГ анализа. Пределы прочности при изгибе и сжатии цементного камня определялись по ГОСТ 310.4–81.

Результаты

Результаты. Результаты химического и минералогического анализа показали, что «красный» терриконик состоит в основном из кварца (65,9 %), что может указывать на его пуццоланическую активность, а «черный» терриконик состоит главным образом из каолинита (41 %) и кварца (28,3 %). Наличие каолинита свидетельствует о возможности получения из данного материала активной минеральной добавки — метакаолинита. Результаты определения пределов прочности при изгибе и сжатии образцов показали, что замена 10–30 % цемента «красным» террикоником практически не снижает прочности раствора, а при замене 20 % цемента «черным» террикоником прочность на сжатие увеличивается на 21 %.

Выводы

Выводы. Результаты химического, минералогического и термического анализа террикоников показали возможность их применения в качестве МД в цементах и цементных системах.

Introduction

Introduction. The use of mineral additives (MA) for cements and cement-based materials allows not only to give them special properties, but also increases the volume of their production and use, as well as solves the issues of industrial waste utilization. For example, in Perm Krai in the territory of the Kizel coal basin the problem of liquidation of a large amount of coal mining waste (coal gangue) remains unsolved. The aim of the research is to evaluate the possibility and efficiency of using coal gangue as mineral additives in cement systems.

Materials and methods

Materials and methods. Portland cement CEM I, self-ignited coal gangue, not ignited coal gangue and also uniform quartz sand were used as raw materials. Not ignited coal gangue was thermal activated at the temperature of 700 °С in muffle furnace during 2 hours. Chemical composition of coal gangue was determined by the fluorescent X-ray spectral method and mineral composition by the method of rapid radiographic quantitative phase analysis. Thermal analysis was conducted by synchronous DSC/TG analysis method. Flexural and compressive strength of cement mortar were determined according to GOST 310.4–81 method.

Results

Results. According to the results of chemical and mineral analysis it was obtained that self-ignited coal gangue is mainly consisted of quartz (65.9 %) that may indicate pozzolanic properties. Whereas not ignited coal gangue mainly consists of kaolinite (41 %) and quartz (28.3 %). The presence of kaolinite, which was also confirmed by endothermic effect on the thermogram, enables to produce active mineral admixture — metakaolinite by thermal activation. It was obtained that flexural and compressive strength of mortar with 10–30 % cement replacement by self-ignited goal gangue is not reduced. Whereas compressive strength of specimens with 20 % cement replacement by thermal activated not ignited coal gangue is increased by 21 %.

Conclusions

Conclusions. The possibility of utilization of Kizel coal gangue as supplementary cementitious material was established by chemical, mineral and thermal analyses.

отходы угледобычитерриконикиКизеловский угольный бассейнгорелый терриконикминеральная добавкаметакаолиниттермоактивацияwastes of coal miningcoal gangueKizel coal basinself-ignited coal ganguesupplementary cementitious materialmetakaolinitethermal activationReferencesKanagaraj B., Anand N., Samuvel Raj R., Lubloy E. Techno-socio-economic Aspects of Portland Cement, Geopolymer, and Limestone Calcined Clay Cement (LC3) Composite Systems : A-State-of-Art-Review // Construction and Building Materials. 2023. Vol. 398. P. 132484. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.132484Kanagaraj B., Anand N., Samuvel Raj R., Lubloy E. Techno-socio-economic Aspects of Portland Cement, Geopolymer, and Limestone Calcined Clay Cement (LC3) Composite Systems : A-State-of-Art-Review. Construction and Building Materials. 2023; 398:132484. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.132484Ndahirwa D., Zmamou H., Lenormand H., Leblanc N. The Role of Supplementary Cementitious Materials in Hydration, Durability and Shrinkage of Cement-Based Materials, their Environmental and Economic Benefits : а Review // Cleaner Materials. 2022. Vol. 5. P. 100123. DOI: 10.1016/j.clema.2022.100123Ndahirwa D., Zmamou H., Lenormand H., Leblanc N. The Role of Supplementary Cementitious Materials in Hydration, Durability and Shrinkage of Cement-Based Materials, their Environmental and Economic Benefits : а Review. Cleaner Materials. 2022; 5:100123. DOI: 10.1016/j.clema.2022.100123Wang A., Pan Y., Zhao J., Liu P., Wang Y., Chu Y. et al. Research Progress of Resourceful and Efficient Utilization of Coal Gangue in the Field of Building Materials // Journal of Building Engineering. 2024. Vol. 99. P. 111526. DOI: 10.1016/j.jobe.2024.111526Wang A., Pan Y., Zhao J., Liu P., Wang Y., Chu Y. et al. Research Progress of Resourceful and Efficient Utilization of Coal Gangue in the Field of Building Materials. Journal of Building Engineering. 2024; 99:111526. DOI: 10.1016/j.jobe.2024.111526Баталин Б.С., Южаков К.Н., Белозерова Т.А. Техногенные месторождения минерального сырья для строительных материалов в Пермском крае : монография. Одесса, 2014. 281 с. EDN STOSYV.Batalin B.S., Yuzhakov K.N., Belozerova T.A. Technogenic deposits of mineral raw materials for building materials in the Perm region : monograph. Odessa, 2014; 281. EDN STOSYV. (rus.).Баталии Б.С., Белозёрова Т.А., Маховер С.Э., Гайдай М.Ф. Кирпич сухого прессования из террикоников Кизела // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2010. № 15 (191). С. 39–41. EDN MNJOKV.Batalin B.S., Belozyorova T.A., Makhover S.E., Gaidai M.F. Dry-pressed brick made from Kizel waste pile. Bulletin of SUSU. Series: Construction Engineering and Architecture. 2010; 15(191):39-41. EDN MNJOKV. (rus.).Баталин Б.С., Белозёрова Т.А., Гайдай М.Ф., Маховер С.Э. Керамический кирпич из террикоников Кизеловского угольного бассейна // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2012. № 11 (166). С. 18–22. EDN SKDXUF.Batalin B.S., Belozerova T.A., Gayday M.F., Makhover S.E. Ceramic bricks from the thermal cores of the Kizelovsky coal basin. Construction materials, equipment, technologies of the 21st century. 2012; 11(166):18-22. EDN SKDXUF. (rus.).Баталин Б.С., Белозерова Т.А., Гайдай М.Ф. Строительная керамика из террикоников Кизеловского угольного бассейна // Стекло и керамика. 2014. № 3. С. 8–10. EDN RYHNSZ.Batalin B.S., Belozerova T.A., Gayday M.F. Construction ceramics from the thermal ceramics of the Kizelovsky coal basin. Glass and Ceramics. 2014; 3:8-10. EDN RYHNSZ. (rus.).Баталин Б.С., Хорошавина А.И. Исследование возможности получения низкомарочного вяжущего вещества на основе горных пород шахтных террикоников // Master’s Journal. 2013. № 2. С. 137–142. EDN RVZZOR.Batalin B.S., Khoroshavina A.I. Study of the possibility of obtaining a low-grade binder based on rocks from mine waste heaps. Master’s Journal. 2013; 2:137-142. EDN RVZZOR. (rus.).Zhang Y., Ling T.C. Reactivity Activation of Waste Coal Gangue and its Impact on the Properties of Cement-Based Materials : a Review // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 234. P. 117424. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117424Zhang Y., Ling T.C. Reactivity Activation of Waste Coal Gangue and its Impact on the Properties of Cement-Based Materials : a Review. Construction and Building Materials. 2020; 234:117424. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117424Zhang J., Han H., Wang L. Pozzolanic Activity Experimental Dataset of Calcined Coal Gangue // Data in Brief. 2023. Vol. 51. P. 109802. DOI: 10.1016/j.dib.2023.109802Zhang J., Han H., Wang L. Pozzolanic Activity Experimental Dataset of Calcined Coal Gangue. Data in Brief. 2023; 51:109802. DOI: 10.1016/j.dib.2023.109802Zhu Z., Liu Ch., Mao L., Han Z., Chen L., Zou H. et al. Study on the Effect of Activated Coal Gangue on the Mechanical and Hydration Properties of Cement // Frontiers in Materials. 2023. Vol. 10. P. 1186055. DOI: 10.3389/fmats.2023.1186055Zhu Z., Liu Ch., Mao L., Han Z., Chen L., Zou H. et al. Study on the Effect of Activated Coal Gangue on the Mechanical and Hydration Properties of Cement. Frontiers in Materials. 2023; 10:1186055. DOI: 10.3389/fmats.2023.1186055Cao Z., Cao Y., Dong H., Zhang J., Sun C. Effect of calcination condition on the microstructure and pozzolanic activity of calcined coal gangue // International Journal of Mineral Processing. 2016. Vol. 146. Pp. 23–28. DOI: 10.1016/j.minpro.2015.11.008Cao Z., Cao Y., Dong H., Zhang J., Sun C. Effect of calcination condition on the microstructure and pozzolanic activity of calcined coal gangue. International Journal of Mineral Processing. 2016; 146:23-28. DOI: 10.1016/j.minpro.2015.11.008Гамалий Е.А. Горелые породы как активная минеральная добавка в бетон // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2008. № 25 (125). С. 22–27. EDN JWKAQH.Gamaliy E.A. Burnt rocks as an active mineral admixture to concrete. Bulletin of SUSU. Series: Construction Engineering and Architecture. 2008; 25(125):22-27. EDN JWKAQH. (rus.).Qin L., Gao X. Properties of Coal Gangue-Portland Cement Mixture with Carbonation // Fuel. 2019. Vol. 245. Pp. 1–12. DOI: 10.1016/j.fuel.2019.02.067Qin L., Gao X. Properties of Coal Gangue-Portland Cement Mixture with Carbonation. Fuel. 2019; 245:1-12. DOI: 10.1016/j.fuel.2019.02.067Леонтьев С.В., Талейко А.А. Перспективы использования техногенных горных пород и кристаллических затравок в технологии LC3 вяжущих // Construction and Geotechnics. 2024. Т. 15. № 2. С. 31–48. DOI: 10.15593/2224-9826/2024.2.03. EDN NVJPDH.Leontev S.V., Taleiko A.A. Prospects for the use of man-made rocks and crystalline seeds in LC3 binder technology. Construction and Geotechnics. 2024; 15(2):31-48. DOI: 10.15593/2224-9826/2024.2.03. EDN NVJPDH. (rus.).Zhang J., Chen T., Gao X. Incorporation of Self-ignited Coal Gangue in Steam Cured Precast Concrete // Journal of Cleaner Production. 2021. Vol. 292. P. 126004. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.126004Zhang J., Chen T., Gao X. Incorporation of Self-ignited Coal Gangue in Steam Cured Precast Concrete. Journal of Cleaner Production. 2021; 292:126004. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.126004Cong X.Y., Lu S., Yao Y., Wang Z. Fabrication and Characterization of Self-ignition Coal Gangue Autoclaved Aerated Concrete // Materials & Design. 2016. Vol. 97. Pp. 155–162. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.02.068Cong X.Y., Lu S., Yao Y., Wang Z. Fabrication and Characterization of Self-ignition Coal Gangue Autoclaved Aerated Concrete. Materials & Design. 2016; 97:155-162. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.02.068Брыков А.С. Химические факторы коррозии портландцементных бетонов. СПб., 2016. 165 с.Brykov A.S. Chemical factors of corrosion of Portland cement concretes. St. Petersburg, 2016; 165. (rus.).Zhang W., Zhou H., Hu Y., Wang J., Ma J., Jiang R. et al. Influence of Curing Temperature on the Performance of Calcined Coal Gangue–Limestone Blended Cements // Materials. 2024. Vol. 17. Issue 8. P. 1721. DOI: 10.3390/ma17081721Zhang W., Zhou H., Hu Y., Wang J., Ma J., Jiang R. et al. Influence of Curing Temperature on the Performance of Calcined Coal Gangue–Limestone Blended Cements. Materials. 2024; 17(8):1721. DOI: 10.3390/ma17081721Li D., Song X., Gong C., Pan Z. Research on cementitious behavior and mechanism of pozzolanic cement with coal gangue // Cement and Concrete Research. 2006. Vol. 36. Issue 9. Pp. 1752–1759. DOI: 10.1016/j.cemconres.2004.11.004Li D., Song X., Gong C., Pan Z. Research on cementitious behavior and mechanism of pozzolanic cement with coal gangue. Cement and Concrete Research. 2006; 36(9):1752-1759. DOI: 10.1016/j.cemconres.2004.11.004Горшков В.С., Тимашев В.В., Савельев В.Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. М. : Высш. школа, 1981. 335 с.Gorshkov V.S., Timashev V.V., Savel’ev V.G. Methods of physico-chemical analysis of binders. Moscow, Higher school, 1981; 335. (rus.).Weise K., Ukrainczyk N., Koenders E. Pozzolanic Reactions of Metakaolin with Calcium Hydroxide : Review on Hydrate Phase Formations and Effect of Alkali Hydroxides, Carbonates and Sulfates // Materials & Design. 2023. Vol. 231. P. 112062. DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112062Weise K., Ukrainczyk N., Koenders E. Pozzolanic Reactions of Metakaolin with Calcium Hydroxide : Review on Hydrate Phase Formations and Effect of Alkali Hydroxides, Carbonates and Sulfates. Materials & Design. 2023; 231:112062. DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112062Рязанов А.А. Энергоэффективная технология известково-глинитного цемента и стеновых камней на основе отходов угледобычи : дис. … канд. техн. наук. Уфа, 2021. 223 с.Ryazanov A.A. Energy-efficient technology of lime-clay cement and wall stones based on coal mi-ning waste : PhD Thesis. Ufa, 2021; 223. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.