Введение. На мировом рынке строительных материалов ведущее место занимает бетон. Ежегодно в мировых масштабах используют примерно 15 млрд. м3 бетона, в двадцатом столетии только в Российской Федерации было применено около 21 млрд. м3 бетона и железобетона [1–3]. На его изготовление было затрачено более 65 % всего произведенного цемента и 35 % нерудных стройматериалов. В денежном выражении бетон и железобетон составляют около 60 % стоимости всех материалов, используемых в строительстве. Эффективность бетонной и железобетонной промышленности во многом определяет уровень всей индустрии стройматериалов.При смене безграничного «технического прогресса» всемирное сообщество предложило гипотезу устойчивого развития современной цивилизации с учетом интересов будущих поколений. В этих условиях материалы и технологии в области строительства должны характеризоваться всеми признаками пятого технологического уклада в мире, который утвердился в развитых странах. Данный подход подразумевает гуманизацию и экологизацию технологий, значительный уровень автоматизации и компьютеризации процессов, ресурсоемкий и трудосберегающий вид воспроизводства, деконцентрацию производства, что является основой для концепции «устойчивого развития строительства», заложенных критериев – ресурсосбережение и энергосбережение, защита окружающей среды.Очень важно с экологической точки зрения использование отходов энергетики, металлургии и других областей при производстве бетона. Накопление данных отходов в РФ со всеми негативными результатами значительно опережает объемы их утилизации. Цементная индустрия является одной из основных отраслей стройматериалов, где максимально применяются техногенные продукты. В качестве сырья обширно используются отходы различных отраслей промышленности. Нередко для производства портландцемента используют вскрышные породы горно-обогатительных комбинатов. Известно использование в качестве сырьевого компонента железорудных хвостов, шлаков электротермофосфорных, но чаще доменного гранулированного шлака в качестве активной минеральной добавки. Комплексное применение материалов и техногенных продуктов дает возможность увеличить выпуск многочисленных разновидностей продукции на 35–55 %, уменьшить ее первоначальную стоимость в 2–4 раза. Вопрос утилизации крупнотоннажных отходов носит международный характер. В Соединенных Штатах Америки объем переработки отходов составляет20 %, во Франции-62 %, в Германии-76,5 %. Объем переработки отходов в Польше и Болгарии составляет около 40 %.Особое развитие в современных условиях приобретает использование в строительных технологиях композиционных вяжущих для производства сухих строительных смесей различного назначения, мелкозернистых бетонов, для тяжелых бетонов специального назначения [4–15].Таким образом, последующее формирование технологий бетона и железобетона, в рамках концепции «стабильного развития», сопряжено с использованием композиционных цементов, в вещественном составе которых возможно применение тонкодисперсных техногенных наполнителей.Формирование данной тенденции ускорилось с введением нового европейского стандарта EN 197-1, который в настоящее время стандартизировал 27 различных видов цемента общего назначения для строительных целей. Согласно EN 197-1, в качестве основных компонентов цемента наряду с клинкером могут использоваться гранулированные доменные шлаки, пуццоланы, зола-унос, горючие сланцы и силикатная пыль.Одним из способов увеличения производства цемента является использование местных природных ресурсов, а также техногенных ресурсов в дополнение к подземным ресурсам.Таким образом, на сегодняшний день остро назрела проблема использования техногенного сырья, а также создание композиционных вяжущих с требуемыми функциональными свойствами [16–21].Особый интерес в связи с вышеизложенным представляют отходы металлургического производства Лебединского горно-обогатительного комбината, ежегодный выход которых составляет десятки млн. тонн.Методология. В качестве сырьевых материалов использованы: цемент ЦЕМ 1 42,5Н (ГОСТ 31108-2003) ЗАО «Белгородский цемент» и отходы ММС Лебединского горно-обогатительного комбината. Композиционное вяжущее получали в центробежном помольном агрегате. Гранулометрический анализ проводили на установке MicroSizer 201. Физико-механические свойства вяжущих композиций определяли в соответствии с нормативными требованиями.Основная часть. Установлено, что для получения высококачественных бетонов и повышения эффективности использования цемента в бетонах целесообразно применять композиционные вяжущие с использованием отходов мокрой магнитной сепарации [22–24]. Особый интерес в связи с приготовлением композиционного вяжущего представляет помольный агрегат, в котором происходит измельчение и механоактивация портландцемента и отходов мокрой магнитной сепарации. На территории БГТУ им. В.Г. Шухова в инновационно-технологическом комплексе «Рецикл» установлен разработанный на кафедре технологических комплексов, машин и механизмов центробежный помольный агрегат, предназначенный для тонкого измельчения техногенных материалов различной прочности [25]. Схема агрегата представлена на рисунке 1.Центробежный помольный агрегат работает следующим образом. Подается материал через загрузочный бункер (1), который работает как вибробункер, бункер фиксирован на стойках (2, 3), прикрепленных к раме (4), при открытых клапанах (5, 6) равномерно поступает по монтажным патрубкам (7, 8) в загрузочные патрубки верхних помольных камер (9). Продвижение материала осуществляется посредством верхней (9), средней (10) и нижней (11) помольных камер, объединенных между собой монтажными патрубками (12), это обеспечивает активное измельчение за счет ударного и абразивного воздействия помольных шаров на материал. Вследствие различных траекторий движения материала и помольных шаров в камерах и, соответственно, различных динамических нагрузок мелющих тел на исходный материал, и сочетаний ударных и истирающих нагрузок происходит измельчение материала. Измельченный материал высыпается через выпускные трубы (13, 14). Перемещение шарнирно соединенных с парами ползунов (15, 16) рам (17, 18) с с установленными на них камерами помола реализуется от вращения эксцентриковых валов (19,20), установленных стойках опор (21,22).Установка эксцентриковых валов на необходимый угол α (в данном случае α = 180°) и скоординированное их вращение обеспечивается через промежуточный вал (23) и зубчатые колеса (24, 25, 26), установленные на эксцентриковых и промежуточном валах. Динамические нагрузки, которые возникают при перемещении двух параллельных рычажных механизмов, уравновешиваются, что обеспечивает равномерное измельчение материала при одинаковых режимах работы обеих частей агрегата, что обеспечивает повышение производительности агрегата.      Рис. 1. Центробежное помольное устройствоСхема центробежного помольного агрегата:1 – загрузочный бункер; 2, 3 – цилиндрическиенаправляющие; 4 – станина;  5, 6 – заслонки; 7, 8  – соединительные патрубки; 9 – верхняя помольная камера;  10 – средняя помольная камера; 11 –  нижняя помольная камера; 12 – соединительный патрубок;13, 14– разгрузочные патрубки; 15, 16– ползуны; 17, 18–  подвижные рамы; 19, 20 – эксцентриковые валы;21, 22 – опорные стойки; 23 – промежуточный вал; 24, 25, 26 – зубчатые колеса; 27, 28 – регулируемыепротивовесы; 29  – загрузочное окно; 30 – разгрузочное окно Принципиальный подход в предлагаемом помольном устройстве гарантирует одновременное измельчение и перемешивание составных частей смесей, кроме того, конструктивные особенности агрегата позволяют изменять режимы динамического воздействия мелющих шаров на сырьевой измельчаемый материал за счет изменения траекторий движения материала и помольных камер.Основные технические характеристики центробежного помольного устройства приведены в таблице 1. Таблица 1Техническая характеристика центробежного помольного агрегата№п/пХарактеристикаРазмерностьОбозна-чениеЗначение1.Диаметр камеры помолаМDвн150·10-32.Длина камеры помолаМLк500·10-33.Коэффициент загрузки камер j0,25–0,354.Производительностькг/чQ50–2505.Частота вращения эксцентрикового валамин-1N350–4206.Величина эксцентриситетаМЕ20 ·10-37.Потребляемая мощностькВтРпот2,48.Габаритные размеры:-длина-ширина-высотаМ LBH 2,341,41,2869.МассаКгM950 В соответствии с поставленной целью в центробежном помольном агрегате готовили составы вяжущих композиций при разных соотношениях компонентов на основе портландцемента ЦЕМ I 42,5Н (ГОСТ 31108-2003) ЗАО «Белгородский цемент» и отходов мокрой магнитной сепарации при различных продолжительностях помола 15, 30 и 45 мин (таблица 2).Гранулометрический состав портландцемента и вяжущих композиций изменялся от 0,1 до 100 мкм и более (рис. 2-3). Удельная поверхность исходного портландцемента составляла 9807 см2/см3. При измельчении в течение 15 минут удельная поверхность увеличивается в 1,87 раза – до 18302 см2/см3. При помоле 30 минут удельная поверхность рядового портландцемента достигает 19093 см2/см3, что возрастает в 1,95 раза по сравнению с исходным портландцементом. При последующем увеличении длительности времени помола до 45 минут удельная поверхность измельченного портландцемента увеличивается до 20098 см2/см3 – в 2,1 раз. Полученные данные свидетельствует о высокой эффективности измельчения в центробежном помольном агрегатеСостав вяжущей композиции №5 имеет удельную поверхность 9463 см2/см3. Измельчение в течение 15 минут вяжущей композиции с соотношением компонентов портландцемент – отходы мокрой магнитной сепарации = 90/10 % в центробежном помольном агрегате дает увеличение удельной поверхности в 1,81 раз (17176 см2/см3). При помоле в течение 30 минут удельная поверхность повышается до 19479 см2/см3 (состав №7) т.е. в 2,06 раза по сравнению с исходной вяжущей композицией. С увеличением времени измельчения до 45 минут удельная поверхность увеличивается в 2,16 раза – до 20436 см2/см3 (состав №8). Таблица 2 Составы вяжущих композиций№ сос-та-вовСостав, %Время измельчения, минПлотность, г/см3Удельная пов-ть,см2/см3Rсж в возрасте 28 сут, МПапортландцементотходы мокрой магнитной сепарации1100002,4980737,821000152,551830248,331000302,551909348,941000452,42009852,95901002,55946332,469010152,551717644,879010302,481947945,789010452,42043649,89802002,4969326,5108020152,41391831,1118020302,481710937,6128020452,51896443,813703002,3991322,1147030152,51500430,0157030302,481759935,7167030452,42087140,1  Вяжущая композиция состава №9 имеет удельную поверхность 9693 см2/см3. Измельчение в течение 15 минут вяжущей композиции с соотношением компонентов портландцемент – отходы мокрой магнитной сепарации = 80/20 % в центробежном помольном агрегате дает увеличение удельной поверхности в 1,4 раза(13918 см2/см3). При помоле в течение 30 минут удельная поверхность повышается до 17109 см2/см3 (состав №9) т.е. в 1,77 раза по сравнению с исходной вяжущей композицией. С увеличением времени измельчения до 45 минут удельная поверхность увеличивается в 1,96 раза – до18964 см2/см3 (состав №10).Вяжущая композиция не измельченная с соотношением компонентов портландцемент – отходы мокрой магнитной сепарации = 70/30% имеет удельную поверхность 9913 см2/см3 (состав 13). При измельчении в течение 15 минут в центробежном помольном агрегате удельная поверхность повышается до 15004 см2/см3 (состав №12) т.е. в 1,51 раза. Увеличивая время измельчения до 30 минут удельная поверхность повысится до 17599 см2/см3 (в 1,81 раза по сравнения с составом №13). При времени измельчения – 45 минут удельная поверхность будет увеличена в 2,15 раза (20871 см2/см3). Анализ приведенных данных свидетельствует о том, что центробежный помольный агрегат создает наилучшие условия для измельчения мелкозернистых материалов.На рис. 4–7 представлены сравнительные кривые гранулометрических составов портландцементов и вяжущих композиций до и после помола. Установлено, что при увеличении времени измельчения с 15 до 45 минут фракционный состав портландцемента сужается и преобладающей является фракция 10–30 мкм. Сравнительные кривые гранулометрических составов вяжущих композиций с соотношением компонентов портландцемент – отходы ММС = 90–10 % (рис. 5) идентичны сравнительным кривым гранулометрических составов портландцементов (рис. 4). Отличительной особенностью является то, что с увеличением продолжительности измельчения кривые смещаются влево в область наименьших размеров. Цемент 100 % без помолаЦемент 100 % (сух. изм. 15 мин.)Цемент 100 % (сух. изм. 30 мин.)Цемент 100 % (сух. изм. 45 мин.)Цемент 90 % + ММС 10 % без помолаЦемент 90 % + ММС 10 % (сух. изм. 15 мин.)Цемент 90 % + ММС 10 % (сух. изм. 30 мин.)Цемент 90 % + ММС 10 % (сух. изм. 45 мин.)Рис. 2. Гранулометрический состав портландцемента и вяжущих композиций Для вяжущих композиций (рис. 6–7) с содержанием минерального компонента 20 и 30 % отмечается, что с увеличением длительности помола кривые гранулометрического состава стабильно смещаются влево, что свидетельствует о приросте дисперсной фазы в этих составах, отмечается, что в составах с повышенным содержанием ММС прирост дисперсной фазы более интенсивный. Вышеизложенное свидетельствует об эффективности применения центробежного помольного агрегата для составов, содержащих цемент и твердую минеральную составляющую, представленную отходами ММС, содержащими до 30 % железистой составляющий, что придает хрупкость и обеспечивает высокую размолоспособность зернам вяжущей композиции.Цемент 80 % + ММС 20 % без помолаЦемент 80 % + ММС 20 % (сух.изм. 15 мин.)Цемент 80 % + ММС 20 % (сух.изм. 30 мин.)Цемент 80 % + ММС 20 % (сух.изм. 45 мин.)Цемент 70 % + ММС 30% без помолаЦемент 70 % + ММС 30 % (сух. изм. 15 мин.)Цемент 70 % + ММС 30 % (сух. изм. 30 мин.)Цемент 70 % + ММС 30 % (сух. изм. 45 мин.)Рис. 3. Гранулометрический состав вяжущих композицийРис. 4. Сравнительные кривые гранулометрических составов портландцементов Рис. 5. Сравнительные кривые гранулометрических составов вяжущих композиций с соотношениемкомпонентов портландцемент – отходы ММС = 90–10 % Рис. 6. Сравнительные кривые гранулометрических составов вяжущих композиций с соотношением компонентов портландцемент – отходы ММС = 80–20 % Рис. 7. Сравнительные кривые гранулометрических составов вяжущих композиций с соотношением компонентов портландцемент –отходы ММС = 70–30 %   Из всех составов вяжущих композиций были отформованы образцы-балочки размером 4×4×16 см (по 6 шт), которые хранились в нормальных условиях. Физико-механические испытания образцов вяжущих композиций проводили в возрасте 28 суток (рис. 8).Установлено, что при увеличении длительности измельчения портландцемента в центробежном помольном агрегате удельная поверхность значительно увеличивается, что положительно сказывается на создании благоприятных условий для формирования прочного цементного камня, о чем свидетельствует увеличение прочности от 28 до 40 %. Такая же тенденция сохраняется при содержании в вяжущей композиции 10 % добавки ММС. Сравнение прочностных характеристик вяжущих композиций при соотношении компонентов портландцемент – отходы ММС = 90–10 % при увеличении длительности измельчения от 15 до 45 мин показывает прирост прочности от 38 до 60 %. Для составов с соотношением компонентов портландцемент – отходы ММС = 80–20 % прирост прочности составляет 36–65 %; для составов с соотношением компонентов портландцемент – отходы ММС = 70–30 % – 36–81 %. Изложенное свидетельствует об эффективности работы центробежного помольного агрегата.Полученные данные свидетельствуют, что использование минерального наполнителя до10 % обеспечивает уплотнение структуры за счет наличия тонкодисперсного минерального наполнителя, что позволит сократить расход портландцемента до 10 %. Рис. 8. Сравнительные прочностные характеристики портландцементов и вяжущих композиций, измельченных в центробежном помольном агрегате При механоактивации составов вяжущих композиций происходит резкое возрастание концентрации поверхностных дефектов, обусловленное нарушением контактов между кристаллами с разрывом кремнекислородных валентных связей.Проявление активности отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов, по-видимому, связано с наличием на их поверхности большого количества обменных центров, значительную часть которых составляют кислоты и основания по Бренстеду. Процессы гидратации и формирование цементного камня при использовании вяжущих композиций требует дальнейшего тщательного изучения.Выводы. Полученные результаты исследований по измельчению отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (ММС) Лебединского горно-обогатительного комбината в центробежном помольном агрегате показали, что данный помольный агрегат обеспечивает высокую размолоспособность зернам вяжущей композиции, состоящей из портландцемента и твердой минеральной составляющей, представленной отходами ММС. Вяжущие композиции, приготовленные в центробежном помольном агрегате с дозировкой минеральной добавки до 10 % позволяют сократить расход дорогостоящего энергоемкого портландцемента.Источник финансирования. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №18-29-24113.