Оценка возможности и эффективности использования террикоников Кизеловского угольного бассейна в качестве минеральной добавки в цементных системах

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

1. Kanagaraj 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.2023.132484

2. Ndahirwa 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.2022.100123

3. Wang 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.2024.111526

4. Баталин 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.2019.117424

10. Zhang 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.2023.109802

11. Zhu 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.2023.1186055

12. Cao 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.2015.11.008

13. Гамалий 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.

14. 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.2019.02.067

15. Леонтьев 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.

16. 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.2021.126004

17. Cong 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.2016.02.068

18. Брыков А.С. Химические факторы коррозии портландцементных бетонов. СПб., 2016. 165 с.

19. 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/ma17081721

20. Li 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.2004.11.004

21. Горшков В.С., Тимашев В.В., Савельев В.Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. М. : Высш. школа, 1981. 335 с.

22. 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.2023.112062

23. Рязанов А.А. Энергоэффективная технология известково-глинитного цемента и стеновых камней на основе отходов угледобычи : дис. … канд. техн. наук. Уфа, 2021. 223 с.