РЕНТГЕНОВСКИЙ АНАЛИЗ ПРИ АКТИВАЦИИ ОТХОДОВ ФЕРРОСИЛИКОМАРГАНЦА

X-RAY ANALYSIS DURING THE ACTIVATION OF FERROSILICOMANGANESE WASTE

Elyor Sottikulov

Senior Researcher (PhD), Leading Research Associate LLC "Tashkent Research Institute of Chemical Technology",

 Republic of Uzbekistan, Tashkent District, Ibrat Postal Office

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается использование отходов ферросиликомарганца, являющихся техногенными отходами Бекабадского металлургического завода РУз, для получения полифункциональных добавок в цемент. На рентгенограмме отходов ферросиликомарганца было изучено аморфное состояние и изменения, произошедшие после их химической активации.

ABSTRACT

This article examines the use of ferrosilicomanganese waste, which is a technogenic waste of the Bekabad Metallurgical Plant, for obtaining multifunctional additives for cement. The X-ray diffraction analysis of the ferrosilicomanganese waste examined its amorphous state and the changes that occurred after chemical activation.

Ключевые слова: пластификатор; полифункциональная добавка цемента; ферросиликомарганец; рентгенограмма, рентгенодифракционные спектры.

Keywords: plasticizer, polyfunctional cement additive, ferrosilicomanganese, X-ray diffraction pattern, X-ray diffraction spectra.

Высокопрочный бетон является современным строительным материалом, сопоставимым по прочности с металлом, и его высокие прочностные и устойчивые характеристики высоко ценятся [1]. Основные компоненты сверхвысокопрочного бетона, такие как цемент, микрокремнезем, песок и вода, а также добавки из горных пород, такие как кварцевая мука, кварцевый песок и базальт или гравий, повышают его прочность и качество. Существуют также методы использования портланд-композитных цементов CEM II и CEM III для стабильных композиций. Стабильная цена, высокая стойкость и разнообразие способов применения делают его конкурентоспособным на рынке строительных материалов [2].

Многочисленные исследования были посвящены изучению негативного воздействия производства цементных материалов в строительной индустрии [3]. Для производства сверхвысокопрочного бетона необходимо обеспечить высокую дисперсность распределения частиц с целью достижения высокой плотности. Для этой цели используется микрокремнезем, образующийся в процессе производства металлического кремния и ферросплавов. Микрокремнезем выделяется из газовой фазы и превращается в очень мелкие частицы аморфного диоксида кремния. Эти частицы обладают большой поверхностью и характеризуются высокой специфической поверхностью и адсорбционной способностью. Эти свойства увеличивают потребность в поликарбоксилатном пластификаторе, необходимом для дисперсии, но также способствуют созданию плотной и прочной структуры сверхвысокопрочного бетона [4].

В некоторых исследованиях изучалось влияние вторичных сырьевых материалов и микрокремнезема на свойства литого бетона [5]. Было отмечено, что при увеличении доли вторичных продуктов общие свойства бетона ухудшаются.

Цель: исследование полифункциональных добавок для цемента из отходов ферросиликомарганца, активированного поликарбоксилатным пластификатором.

Материалы и методы

Для получения полифункциональных добавок в цемент с использованием активированных техногенных отходов были исследованы отходы ферросиликомарганца (образец 1), которые считаются техногенными отходами Бекабадского металлургического завода РУз, а так же продукт (образец 2), полученный после активации отходов ферросиликомарганца поликарбоксилатным пластификатором. В процессе активации соотношение отходов ферросиликомарганца и пластификатора, составило 42,3:1 в расчете на сухой остаток. При расчетах учитывалась влага в составе отходов.

Образцы были подвергнуты рентгенологическому анализу на современном рентгеновском дифрактометре Rigaku MiniFlex 600 (Rigaku, Япония), оснащённом высокоскоростным кремниевым детектором стрип-детектор D/teX Ultra. (Описание https://rigaku.com/products/x-ray-diffraction-and-scattering/xrd/miniflex).

Аппарат позволяет выполнить качественный анализ неизвестных веществ (фаз) путем сравнения экспериментальных дифракционных спектров со спектрами стандартов, содержащихся в базе данных. А так же количественный (%) анализ, который позволяет установить содержание отдельных компонентов в смеси, содержащей разные вещества.

Основным методом рентгенофазового анализа служит метод порошка (метод Дебая-Шеррера), когда монохроматический пучок рентгеновских лучей направляют на поликристаллический образец. Всегда имеются их любые ориентировки по отношению к лучу, в том числе и те, которые удовлетворяют закону Вульфа-Брэгга, устанавливающему зависимость между длиной волны рентгеновских лучей (λ), межплоскостными расстояниями (d) и углом скольжения пучка рентгеновских лучей (θ) по отношению к отражающей плоскости:

                                                                                          (1)

Полученные рентгенограммы (рентгенодифракционные спектры) представлены на рисунках 1, 2.

Результаты и их обсуждение

Рентгенограмма отходов ферросиликомарганца, представленная на рисунке 1, имеет характерный вид - это широкая линия (галло) с угловой шириной 2θ = 10-20° что указывает на преимущественно аморфное состояние. Были выявлены четыре пика на плавной линии фона, каждый пик является отражением n- го порядка от серии плоскостей (hkl) с межплоскостным расстоянием hkl d.

Рисунок 1. Рентгенограмма отходов ферросиликомарганца

При расчёте по формуле (1), расстояние между плоскостями составило 4,100 Å, что соответствует областям соединений марганца и демонстрирует низкую интенсивность. Это связано с низким содержанием соединений марганца в отходах ферросиликомарганца, но указывает на их присутствие. Другие пики на рентгенограмме, при расчёте по формуле, показали расстояние между плоскостями: 3,346 Å, 3,031 Å, 2,536 Å. Это, в основном, соответствует аморфному оксиду кремния и его частично гидратированным связям, что было подтверждено на основе данных литературы и базы данных программного обеспечения MiniFlex 600.

Рисунок 2. Рентгенограмма отходов ферросиликомарганца после активации пластификатором

Рентгенограмма отходов ферросиликомарганца после активации, представленна на рисунке 2. В соответствии с анализом, дифракция пиков, присутствующих на рентгенограмме исходных неактивированных отходов (рисунок 1), в некоторых местах демонстрирует частичное смещение. Интенсивность расстояния между выявленными плоскостями заметно увеличилась. Это объясняется активным участием соединений марганца в процессе активации. Расстояние между плоскостями, соответствующими марганцу в составе неактивированных отходов, составляющее 4,100 Å, после активации значительно изменилось и стало 4,600 Å.

Расстояния между плоскостями, соответствующими другим пикам на рентгенограмме неактивированных отходов ферросиликомарганца, составляют: 3,346 Å, 3,031 Å, 2,536 Å. Они, в основном, принадлежат аморфному оксиду кремния и его частично гидратированным связям, и после активации изменяются на незначительные расстояния. В частности: 3,346 Å - 3,331 Å, 3,031 Å - 3,022 Å, 2,536 Å - 3,545 Å. Кроме того, между этими расстояниями появляется новый пик средней интенсивности с расстоянием между плоскостями 3,808 Å. Данные характеристики дифракции соответствуют тридимиту, который является одним из полиморфов оксида кремния и встречается наряду с кварцем и кристобалитом. Его кристаллическая структура может быть гексагональной или орторомбической.

Кроме того, в областях с дифракционными углами менее 15 градусов новые пики демонстрируют свою небольшую интенсивность. Они соответствуют длинам различных граней минерала родонит (MnO*SiO₂) с дифракциями 6,742 Å, 7,609 Å и 12,71 Å и характеризуют дифракцию, связанную с родонитом. Помимо этого, были обнаружены неизвестные дифракционные пики с низкой интенсивностью.

Заключение

Отходы ферросиликомарганца могут использоваться в качестве полифункциональных добавок для цемента. Техногенные отходы Бекабадского металлургического завода РУз при активации поликарбоксилатным пластификатором образуют аморфные структуры на рентгенограмме. В результате активации изменяются расстояния между плоскостями соединений марганца и оксида кремния, образуя новые пики. В этом процессе соединения марганца активно участвуют, повышая химическую активность отходов. Также были зафиксированы пики низкой интенсивности, характерные для минерала родонит. Результаты исследования подтверждают возможность эффективного использования отходов ферросиликомарганца в производстве цемента.

Список литературы:

1. Urbonas L., Heinz D., Gerlicher T. Ultra-high performance concrete mixes with reduced portland cement content //Journal of Sustainable Architecture and Civil Engineering. – 2013. – Т. 3. – №. 4. – С. 47-51.
2. Gerlicher, T., Hilbig, H., Heinz, D.: Einfluss des Hüttensandmehleinsatzes auf den Hydratationsverlauf von ultrahochfestem Beton, in: 17. ibausil, Tagungsband 1, Bauhaus Universität Weimar, 2009.
3. de Brito J., Kurda R. The past and future of sustainable concrete: A critical review and new strategies on cement-based materials //Journal of Cleaner Production. – 2021. – Т. 281. – С. 123558.
4. Silica Fume Association, L. U.: Silica Fume User´s Manual, Technical Report FHWA-IF-05-016, 2005, 194.
5. Galishnikova, V.V., Abdo, Sh., Fawzy, A.M. Influence of silica fume on the pervious concrete with different levels of recycled aggregates. Magazine of Civil Engineering. 2020. 93(1). Pp. 71–82. DOI: 10.18720/MCE.93.7.