Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

INVESTIGATION OF STRENGTH CHARACTERISTICS OF MODIFIED LIMESTONE CRUSHED STONES FROM REPUBLIC OF CRIMEA

Research article
Glinyanova I.Yu.
Fomichev V.T.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.66.121
Issue: № 12 (66), 2017
Published:
2017/12/18
PDF

Глинянова И.Ю.1, Фомичев В.Т.2

1ORCID: 0000-0003-1388-1233, кандидат педагогических наук, доцент, 2ORCID: 0000-0002-7382-6474, доктор технических наук, профессор

Волгоградский государственный технический университет, Волгоград

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОДИФИЦИРОВАННОГО ИЗВЕСТНЯКОВОГО ЩЕБНЯ РЕСПУБЛИКИ КРЫМ

Аннотация

Исследованы прочностные характеристики модифицированного известнякового щебня из карьера «Биюк-Янкойский, Симферопольского района республики Крым. Проведен эксперимент по модификации  крымского известнякового щебня низкой прочности (марка 600) с разными фракциями (5; 5-10; 20-40; 40-70) диспергированным раствором отхода гидролизного производства – лигносульфонатом техническим (ЛСТ). Диспергация  раствора ЛСТ проводилась способом ультразвуковой и гидродинамической кавитации. Испытания модифицированного известнякового строительного щебня осуществлялись  в соответствии с ГОСТ 8267-93 по определению его прочности  по дробимости или потери массы. Результаты исследований прочности крымского модифицированного известнякового щебня показали  переход марки 600 в марку 1000 (фракции: 5-10; 20-40; 40-70) и марки 600 в марку 1200 (фракция: 5). Предложены перспективы использования модифицированного известнякового щебня в республике Крым.

Ключевые слова: модифицированный известняковый щебень, лигносульфонат технический,  кавитация, тиксотропия, эффект Ребиндера.

Glinyanova I.Yu.1, Fomichev V.T.2

1ORCID: 0000-0003-1388-1233, PhD in Pedagogy, Associate professor, 2ORCID: 0000-0002-7382-6474, PhD in Engineering, Professor

Volgograd State Technical University, Volgograd

INVESTIGATION OF STRENGTH CHARACTERISTICS OF MODIFIED LIMESTONE CRUSHED STONES FROM REPUBLIC OF CRIMEA

Abstract

The strength characteristics of modified limestone crushed stones from the "Biyuk-Yankoysky quarries, Simferopol district of the Republic of Crimea, are investigated. An experiment on the modification of the Crimean limestone crushed stones of low strength (grade 600) of different fractions (5, 5-10, 20-40, 40-70) with a dispersed solution of the hydrolysis production waste – the technical lignosulfonate (TLS) – was carried out. Dispergation of the TLS solution was carried out by ultrasonic and hydrodynamic cavitation. Tests of modified limestone crushed stones were carried out in accordance with GOST 8267-93 to determine its crushing strength or weight loss. The results of studies of strength of the Crimean modified limestone crushed stones showed the transition of the grade 600 to the grade 1000 (fractions: 5-10, 20-40, 40-70) and grade 600 to grade 1200 (fraction: 5). Prospects for the use of modified limestone crushed stones in the Republic of Crimea are suggested.

Keywords: modified limestone crushed stones, technical lignosulfonate, cavitation, thixotropy, Rehbinder effect.

Нерудные полезные ископаемые республики Крым, в частности, щебень, имеют важное экономическое значение для полуострова.

Известняковый щебень используется в производстве бетона и конструкций из него,  в фундаментных работах, при заливке мостовых конструкций и мостового полотна, дорожных и аэродромных покрытий; применяется в производстве железобетонных конструкций, в строительстве автодорог и железных дорог, трамвайных линий, при возведении производственных зданий; массивных конструкций; при строительстве основания для железнодорожных путей и др.

Другие виды известняков являются сырьем для производства извести, флюсов для металлургической, цементной и электропромышленности, для производства комбикормов, абразивов, кровельных материалов и в производстве сухих строительных смесей.

На инвестиционном портале Республики Крым позиционируются основные отрасли промышленности, где добывающая промышленность с карьерами щебня занимает 10 % [1] .

В Крыму месторождения строительных известняков разрабатываются более чем 38 карьерах [2, С.194], по другим источникам  - в ста карьерах, общая площадь которых составляет 13 тыс. га (0,5 % площади полуострова) [3, С.43] .

Многие карьеры известнякового щебня Республики Крым имеют низкую прочность и марку – 400 – 600.

В качестве материала для исследования  был использован известняковый щебень марки 600 из карьера «Биюк-Янкойский», с. Мраморное, Симферопольского района республики Крым, следующих фракций:   5-10 мм; 20-40 мм; 40-70 мм.  [4].

Верхнеюрские отложения, как и отложения ранней и средней юры, характеризуются резкими изменениями также фациального состава по латерали, о чем упоминали в своих исследованиях [5, С. 39].

 Известняки данного месторождения представлены краснобурыми, розоватыми и серыми известняками, с многочисленными включениями белых кальцитизированных раковин и веточек кораллов и окрашены в серые, красные, бурые, белые, желтые цвета.

Декоративные свойства известняков обусловлены наличием глинистых минералов, дисперсных примесей Fe, Mn и других химических элементов, о чем неоднократно упоминали в своих работах многие авторы: [6, С. 301] .

Лигносульфонаты технические –  это многотоннажные отходы целлюлозно-бумажных комбинатов, производные лигнина природного происхождения,   обладают высокой растворимостью в воде,  образуются в результате сульфитной делигнификации древесных материалов. ЛСТ – это анионные  поверхностно-активные вещества.

На основании исследований прочностных характеристик модифицированного известнякового щебня Волгоградской области,  было показано, что модифицировать  щебень низкой прочности целесообразно в 10-40 % р-рах лигносульфонатов технических, (табл. 1), [7, С. 160], [ 8].

 

Таблица 1 – Сравнительная характеристика зависимости потери массы при испытании щебня от концентрации р-ра ЛСТ

Р-р ЛСТ, % Марка щебня по дробимости Потеря массы при испытании щебня, %
0 400 21
5 600 15,56
7,5 800 13,2
10 1000 12,62
20 1000 12,52
40 1000 12,59
 

Статистическая обработка экспериментальных данных зависимости потери массы известнякового щебня от концентрации водного раствора технических лигносульфонатов показала, что наилучшую аппроксимацию дает следующая модель с аппроксимирующей формулой y ≈ 1/(a + be−x).

Результаты линеаризации представлены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Результаты линеаризации модели

i 1 2 3 4 5
0,006738 0,0005531 4,54E-05 2,061E-09 4,248E-18
0,06427 0,07576 0,07924 0,07987 0,07937
  Результаты аппроксимации представлены в таблицах 2,3.  

Таблица 3 – Результаты аппроксимации модели

i 1 2 3 4 5
xi 5 7,5 10 20 40
yi 15,6 13,2 12,6 12,5 12,6
15,6 12,9 12,7 12,7 12,7
 

Оценки параметров и остаточная сумма квадратов для данной модели: а = 0,078927, b = −2,19906, 19-02-2018 15-33-44

Апроксимирующая кривая,  соответствующая этим данным изображена на рисунке 1.

19-02-2018 15-32-22

Рис.1 – Модель 1/(a + be−X). Исходные данные и аппроксимирующая кривая

 

Совершенствуя изобретение по пропитке известнякового щебня низкой прочности, в дальнейшем, был разработан способ модификации известнякового щебня кавитационным способом [9], который позволил добиться высоких марок известнякового щебня и снижению процента дробимости  с течением времени.

Способ приготовления модифицированного строительного известнякового щебня из карьера «Биюк-Янкойский», с. Мраморное, Симферопольского района республики Крым был аналогичным как и в экспериментах с волгоградским известняковым щебнем низкой прочности.

Модификация известнякового щебня из республики Крым проводилась также в четыре стадии. На первой стадии  его в течение 15 минут  подвергают ультразвуковой кавитации воды до температуры 40-60 0С при частоте 20-40 кГц. На второй стадии в кавитационную горячую воду вводились 10 % порошкообразные  ЛСТ  и подвергали диспергированию ультразвуком (20-40 кГц)  до полного растворения  в течение 10-15 минут.

На третьей стадии полученный водный раствор лигносульфонатов технических подвергался гидродинамической кавитации при скорости потока жидкости 12-13 м/с в течение 1-3 минут, на четвертой стадии - в кавитационный водный раствор лигносульфонатов технических погружался малопрочный известняковый щебень и обрабатывался  ультразвуком при частоте 20 кГц в течение 15-30 минут.

Испытания модифицированного известнякового щебня проводили в соответствии с ГОСТ 8267-93 [10, C.3]  по определению его прочности  по дробимости или потери массы при испытании щебня (табл. 4).

Таблица 4 – Испытания крымского модифицированного известнякового щебня

19-02-2018 15-38-11

Как видно из Таблицы 4 фракции: 5-20 мм, 20-40 мм, 40-70 мм крымского известнякового щебня  увеличили свою прочность в два раза и из марки 600 перешли в марку 1000. Фракция: 5 мм крымского известнякового щебня увеличила свою прочность в три раза и из марки 600 перешли в марку 1200.

Характерно, что с течением времени после обработки модифицированный известняковый щебень набирает прочность и через два месяца уже находится в переходном состоянии из марки 1000 в 1200,  из марки 1200 в марку 1400, исходя из потери массы при испытании щебня.

Так, в рамках эксперимента были дополнительно проведены исследования динамики набора прочности крымского модифицированного известнякового щебня в течение нескольких месяцев. Для этого известняковый щебень после пропитки модифицированным раствором лигносульфонатов технических выгружали из раствора и сушили в естественных условиях в течение 56 дней.

Для эксперимента выбран модифицированный известняковый щебень фракции: 5-10 мм  и осуществлена  проверка на  прочность по временным этапам.

Как следует из заданных таблицы 5, с 14-го дня по 56 -ой день модифицированный крымский известняковый щебень, фракция: 5-10 мм (карьер «Биюк-Янкойский» Симферопольского района)  плавно набирает свою прочность и на 56 –ой день  уже  находится в переходном состоянии из марки 1000 (11,32%) в марку 1200 (до 11% ).

 

Таблица 5 – Динамика набора прочности модифицированного крымского известнякового щебня

Параметры Динамика набора прочности модифицированного известнякового щебня (10% водного р-ра ЛСТ) по дням
По дням
1 7 14 21 28 56
Марка модифицированного известнякового щебня 600 800 1000 1000 1000 1000
Потеря массы при испытании  известнякового щебня, % 15,45 13,1 12,60 12,53 12,31 11,32
 

Исследования прочностных характеристик модифицированного  известнякового  щебня разных фракций  показали  увеличение  его прочности в течение 56 дней и переход  в щебень высокой прочности М-1000-1200 по сравнению с исходным материалом.

По нашему мнению, такие высокие результаты были достигнуты в результате действия ультразвуковой и гидродинамической кавитации.

Наблюдаемый эффект упрочнения возможно объяснить с позиции П.А. Ребиндера – путь к прочности материала лежит через его разрушение [11], связанного с представлением о двух основных этапах пространственных структур: коагуляционных и конденсационно-кристаллизационных.

С этих позиций поверхность щебня можно представить в виде поверхностного слоя, покрытого сеткой микро- и макротрещин и основы камня щебня с ненарушенной структурой.

Раствор технических лигносульфонатов, обладающий поверхностно-активными свойствами (57-58 мДж/м2), самопроизвольно внедряется в микротрещины, разрыхляя внешний слой с образованием  коагуляционной  и тиксотропной структуры.

Как следует из табл. 1, увеличение марки дробимости щебня, при его обработке раствором ЛСТ, связано с тем, что щебень с меньшей маркой имеет более развитую сетку трещин и, как следствие, большую потерю массы при интенсивной обработке щебня в растворе под действием ультразвукового гидравлического воздействия.  Внешний коагуляционный слой поверхности щебня снимается, обнажая  кристаллическую структуру,  подвергаемую одновременно  протекающими процессами самоуплотнения – синерезиса в зонах дефектов очищенной поверхности.  Протекание этих процессов продолжается во времени,  сопровождаемое увеличением прочности.

Чем прочнее исходная марка щебня, тем меньшее влияние на него оказывает ультразвуковое воздействие.

Представленные исследования являются основой рекоменлации к использованию полученных результатов в практических целях.

Перспективными исследованиями в этой области являются также изучение возможностей  многократного использования раствора ЛСТ при модификации  известнякового щебня и сокращение время его пропитки в несколько раз, что в значительной степени  снизит себестоимость модифицированного известнякового щебня Республики Крым.

Список литературы / References

  1. Инвестиционный портал Республики Крым. – URL: http://old.investincrimea.ru/show_content.php?alias=passport_prom&mid=1&m2=464 (дата обращения: 23.10.2017).
  2. Матюшкина О. П. Закономерности распространения и вещественный состав декоративных разновидностей верхнеюрских мраморизованных известняков Крыма // Геотехнічна механіка. – 2013. – № 112. – С. 186-195.
  3. Подгородецкий П. Д. Крым : Природа : справ. изд. – Симферополь : Таврия, 1988. – 192 с., 16 л. ил.
  4. Биюк-Янкойский карьер,Мраморное село,Симферопольский район, Республика Крым, Россия. – URL : http://webmineral.ru/deposits/item.php?id=2299 (дата обращения: 23.10.2017).
  5. Ключевые проблемы стратиграфии восточной части Горного Крыма. Новые микропалеонтологические данные датирования флишевых пород / Е. Шеремет [и др.] // Геофизический журнал. – 2014. – Т. 36, № 2. – С. 35-56.
  6. География самоцветов и коллекционных камней Крыма / П. Н. Баранов [и др.] // Геополитика и экогеодинамика регионов. – 2014. – Т. 10, № 2 (13). – С. 300-304.
  7. Глинянова, И. Ю. Повышение прочностных характеристик известнякового щебня наномодифицированным отходом производства / И. Ю. Глинянова, И. П. Минченко // Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области : материалы 2-й Всерос. науч.-техн. конф., г. Волгоград, 17-18 дек. 2009 г. / ВолГУ. – Волгоград, 2009. – С. 159-161.
  8. Пат. 2408550 Российская Федерация, МПК C04B24/18. Способ приготовления известнякового строительного щебня / И. Ю. Глинянова [и др.] ; патентообладатель Глинянова И. Ю. – № 2009135997/03, заяв. 28.09.2009 ; опубл. 10.01.2011, Бюл. № 1.
  9. Заявка на Пат. № 2017121520 Российская Федерация, Способ приготовления модифицированного строительного известнякового щебня/ И.Ю. Глинянова; патентообладатель ООО «НПК-ЭМОНОЛИТ», заяв. 19.06.2017
  10. ГОСТ 8267-93. Щебень и гравий из плотных пород для строительных работ. Технические условия (с Изменениями № 1-4). – Москва : Стандартинформ, 2008. – 17 с.
  11. Ребиндер П.А. Основные проблемы физико-химической механики дисперсных и высокомолекулярных структур// Рефераты УШ Мендел.съезда по общей и прикл.химии, секц. Коллоидн.химии / М.: Изд-во АН СССР, 1959. - С.87-89.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Investicionnyj portal Respubliki Krym [Investment portal of the Republic of Crimea] [Electronic resource]. – URL: http://old.investincrimea.ru/show_content.php?alias=passport_prom&mid=1&m2=464 (Reference date: 23.10.2017). [in Russian]
  2. Matjushkina O.P. Zakonomernosti rasprostranenija i veshhestvennyj sostav dekorativnyh raznovidnostej verhnejurskih mramorizovannyh izvestnjakov Kryma [Regularities of distribution and material composition of decorative varieties of the Upper Jurassic marble limestones of the Crimea] // Geotechnical mechanics. – 2013. – No 112. – P. 186-195. [In Russian]
  3. Podgorodeckij P.D. Krym. Priroda: spravochnoe izdanie [Crimea. Nature: reference edition]. – Simferopol': Tavrija, 1988. – 192 p. [In Russian]
  4. Bijuk-Jankojskij kar'er, Mramornoe selo, Simferopol'skij rajon, Respublika Krym, Rossija [Biyuk-Yankoy quarry, Marble village, Simferopol district, Republic of Crimea, Russia] [Electronic resource]. – URL: http://webmineral.ru/deposits/item.php?id=2299 (Reference date: 23.10.2017). [In Russian]
  5. Kljuchevye problemy stratigrafii vostochnoj chasti Gornogo Kryma. Novye mikropaleontologicheskie dannye datirovanija flishevyh porod [Key problems of stratigraphy of the eastern part of the Mountainous Crimea. New micropaleontological dating data of the flysch rocks] / E. Sheremet [et al.] // Geophysical Journal. – 2014. – Vol. 36, No 2. – P. 35-56. [In Russian]
  6. Geografija samocvetov i kollekcionnyh kamnej Kryma [Geography of semiprecious stones and collection stones of Crimea] / P.N. Baranov [et al.] // Geopolitics and ecogeodynamics of regions. – 2014. – Vol. 10, No. 2 (13). – P. 300-304. [In Russian]
  7. Glinjanova, I.Ju. Povyshenie prochnostnyh harakteristik izvestnjakovogo shhebnja nanomodificirovannym othodom proizvodstva [Increase of strength characteristics of limestone crushed stone with nanomodified production waste] / I.Ju. Glinjanova, I.P. Minchenko // Nanotechnologies and nanomaterials: the current state and development prospects in the conditions of the Volgograd region: materials of the 2nd All-Russian Scientific and Technical Conference, Volgograd, 17-18 December 2009 / VolSU. – Volgograd, 2009. – P. 159-161. [In Russian]
  8. Pat. 2408550 Russian Federation, MPK C04B24/18. Sposob prigotovlenija izvestnjakovogo stroitel'nogo shhebnja [Method of preparation of limestone building crushed stone] / I.Ju. Glinjanova [et al.]; the patentee Glinjanova I.Ju. – № 2009135997/03, appl. 28.09.2009 ; publ. 10.01.2011, Bul. No. 1. [In Russian]
  9. Application for Pat. № 2017121520 Russian Federation, Sposob prigotovlenija modificirovannogo stroitel'nogo izvestnjakovogo shhebnja [Method for the preparation of modified limestone crushed stone] / I.Ju. Glinjanova; the patentee LLC «NPK-Emonolit», appl. 19.06.2017 [In Russian]
  10. GOST 8267-93. Shheben' i gravij iz plotnyh porod dlja stroitel'nyh rabot. Tehnicheskie uslovija [Crushed stone and gravel from dense rocks for construction works. Technical conditions] (with changes No. 1-4). – Moskva: Standartinform, 2008. – 17 p. [In Russian]
  11. Rebinder P.A. Osnovnye problemy fiziko-himicheskoj mehaniki dispersnyh i vysokomolekuljarnyh struktur [The main problems of the physicochemical mechanics of disperse and high-molecular structures] / P.A. Rebinder // Reports of the Ush Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry, Section of Colloid Chemistry. – M.: Izd-vo AN SSSR, 1959. – P.87-89. [In Russian]