Повышение водостойкости магнезиального камня для твердеющих закладочных смесей из техногенных доломитов

Бурное развитие промышленности во всех странах мира поставило перед человечеством острую проблему охраны окружающей природной среды. Только по Челябинской области за последние 10 лет было ликвидировано большое количество горнодобывающих предприятий, вследствие чего на территории области оказалось большое количество заброшенных шахт.

Заброшенные шахты ликвидированных горных предприятий оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду вызывая: деформации земной поверхности; просадки зданий и сооружений, находящихся в районе ведения горных работ; загрязнение водных бассейнов в результате смешивания поверхностных вод с шахтными и карьерными; загрязнение воздушных бассейнов за счет выделяющихся рудничных газов; ухудшение качества геологической среды за счет продолжения геомеха-нических и геофизических процессов в недрах после прекращения горных работ.

Поэтому ликвидация заброшенных шахт горных предприятий должна сопровождаться специальными мероприятиями по предотвращению их неблагоприятного воздействия на окружающую среду.

Согласно «Правилам безопасности в угольных шахтах» при ликвидации вертикального ство- ла требуется полное его заполнения негорючим, водостойким, нерастворимым и нетоксичным материалом. Этим требованиям должна отвечать любая закладочная смесь, применяемая для заполнения выработанных пространств. Кроме того, закладочная смесь должна быть энергоэффективной и недорогой [10].

Установлено, что на данный момент составы твердеющих закладочных смесей, используемых на отечественных и зарубежных рудниках, практически все разработаны на цементных или известковых вяжущих [2, 4]. Помимо повышенной стоимости таких закладочных смесей, спорным моментом также является их эффективность, так как подземные воды часто содержат значительное количество растворимых в них кислот или солей, приводящих, например, к выщелачиванию цементного камня. Поэтому вопросы эффективности и стоимости таких смесей в настоящее время актуальны.

Одним из путей решения вопросов экономии и эффективности закладочных материалов является применение закладочных смесей на основе доломитового вяжущего, производимого из широко распространенных и почти невостребованных доломитов в Челябинской области. Материалы на основе доломитового вяжущего обладают высокой технологичностью, быстрым набором прочности без тепловой обработки, беспыльностью, высокой стойкостью [9]. Технология их производства энергоэффективна, так как температура получения вяжущего из доломитов составляет 600…650 °С (для сравнения у портландцементного клинкера – 1350…1400 °С [1]). Кроме того, при использовании закладочных смесей на основе доломита будет достигнут значительный экологический эффект за счет утилизации некондиционного доломита уже добытого и складированного в отвалах.

Однако одной из главных причин, сдерживающих применение магнезиального вяжущего для закладочных работ, является его низкая водостойкость, что недопустимо в соответствии с

«Правилами безопасности в угольных шахтах».

Таким образом, целью данного исследования является увеличение водостойкости магнезиального камня для твердеющих закладочных смесей на основе некондиционных доломитов.

Основная задача для достижения данной цели состоит в изучении свойств доломитового вяжущего с разными добавками, а также в выборе наиболее эффективной добавки и ее дозировок для обеспечения максимально возможного повышения водостойкости магнезиального камня.

Низкая водостойкость магнезиального вяжущего объясняется фазовым составом камня, включающим оксигидрохлориды магния, которые склонны к гидролизу под действием воды. Гидролиз магнезиального камня можно замедлить прямой защитой изделий от воды или формированием структуры из водостойких гидратных составляющих [3, 5].

Наиболее перспективным для повышения водостойкости магнезиального камня является применение гидравлических добавок в виде портландцемента, микрокремнезема, шлаков – доменного гранулированного, медеплавильного, никелевого и так далее, а также зол ТЭЦ и других видов минеральных добавок. Тонкодисперсные гидравлические добавки приводят к образованию в маг- незиальном камне водостойких гидросиликатов-магния. Эти добавки вводят в количестве от 5 до 20% от массы магнезиального вяжущего и в результате водостойкость получаемого камня увеличивается, а коэффициент размягчения достигает 0,75 [7, 8].

Предварительный эксперимент проводился с целью выявления наиболее эффективной добавки, повышающей водостойкость и прочность доломитового вяжущего. Образцы изготавливали с применением добавок никилевого шлака и сидерита, в качестве затворителя использовали водный раствор бишофита (MgCl 2 ) плотностью 1,2 г/см². Эксперимент проводили на тесте вяжущего нормальной густоты. Для оценки неравномерности изменения объема образцов были изготовлены образцы-лепешки, которые через сутки твердения были помещены в воду на 24 часа, после чего определяли наличие трещин.

Сравнительные диаграммы прочностей образцов с разными добавками в 28 суток в сухом состоянии приведены на рис. 1, диаграммы коэффициентов размягчения в 28 суток на рис. 2.

Наибольший коэффициент размягчения и прочность имеет магнезиальный камень с добавкой никелевого шлака в количестве 20 % от массы вяжущего. Полученные показатели прочности в сухом состоянии превзошли показатели бездоба-вочного магнезиального камня на 13,3 %.

Таким образом, применение добавки никелевого шлака в количестве 20 % обеспечит закладочным смесям на основе доломитового вяжущего высокие показатели прочности и водостойкости.

Введение добавки никелевого шлака позволяет добиться повышения водостойкости магнезиального камня до требуемого уровня путем образования в его структуре водостойких соединений. На рис. 3 представлена рентгенограмма вяжущего с добавкой никелевого шлака в количестве 20 %, на которой видно образование большого количества водостойких гидросиликатов магния и железа [6].

Никелевый шлак ■ Сидерит

Рис. 1. Прочность при сжатии сухих образцов в 28 суток с никелевым шлаком и сидеритом

■ Никелевый шлак i Сидерит

Рис. 2. Коэффициенты размягчения образцов в 28 суток с никелевым шлаком и сидеритом

Строительные материалы и изделия

Рис. 3. Рентгенограмма камня магнезиального вяжущего с добавкой никелевого шлака в количестве 20 % от массы вяжущего

Рис. 4. Образцы «лепешки» с добавкой никелевого шлака 20 %

Помимо того, что магнезиальный камень с добавкой никелевого шлака имеет повышенные прочностные характеристики и коэффициенты размягчения, на образцах-лепешках не наблюдалось появление трещин, что говорит о равномерном изменении объема магнезиального камня с этой добавкой при твердении (рис. 4).

Образцы-кубы с добавкой сидерита (10 % и 20 % добавки) в водонасыщенном состоянии растрескались.

По результатам эксперимента установлено, что наиболее эффективной добавкой, способствующей повышению водостойкости доломитового вяжущего, является никелевый шлак.

Введение этой добавки в количестве 20 % от массы вяжущего, повышает прочность на 13,3 %, по сравнению с бездобавочным составом и увеличивает коэффициент размягчения до 0,75, что соответствует требованиям, предъявляемым к водостойкости закладочной смеси.

Повышение водостойкости связано с образованием в магнезиальном камне гидросиликатов магния и железа.

Таким образом, при использовании в качестве добавки никелевого шлака становится возможным использование многотоннажных отходов добычи магнезиальных горных пород в качестве вяжущего для закладочных смесей. Эффективное использование таких отходов позволит значительно снизить экологическую нагрузку, как за счет утилизации отвалов, так и путем ликвидации выработанных шахт.