Однако при формировании техногенных глинистых грунтов основным структурообразующим фактором являются техногенные преобразования. В зависимости от того, каковы трансформации вещества при техногенезе, микроструктура в меньшей или в большей степени отличается от исходных (материнских) пород.
Техногенные грунты при своем эволюционном развитии под воздействием энергии техногенных процессов проходят следующие стадии преобразования:
I - исходные горные породы;
II - нарушение целостности пород;
III - разрушение текстуры и структуры;
IV - разрушение кристаллических решеток породообразующих минералов;
V - синтез минералов;
VI - формирование структуры и текстуры техногенных грунтов;
VII - образование техногенных отложений.
При этом стадии IV и V могут отсутствовать, либо присутствовать в незначительной степени, что часто встречается при формировании техногенных грунтов, сформировавшихся за счет механогенных воздействий.
То есть техногенные грунты можно рассматривать как сложные, полигенетические, быстро изменяющиеся во времени природные образования, подвергнутые физико-механическим и (или) физико-химическим техногенным трансформациям. В соответствии с этим они, согласно генетической теории выбора энергосберегающего сырья (по В.С. Лесовику) [2], с точки зрения преобразований в строительном материаловедении, обладают определенным и максимальным запасом свободной внутренней энергии.
Согласно вышеуказанной теории, приобретенная в процессе техногенных воздействий, свободная внутренняя энергия, которой и обладают техногенные грунты, уменьшает работу, которую необходимо выполнить человеку при производстве строительных материалов, т.е. механическую дезинтеграцию сырья (разрушение структуры и текстуры), разрушение кристаллических решеток минералов и синтез новообразований, определяющих эксплуатационные характеристики продукции стройиндустрии.
Представляется, что генетические типы техногенных грунтов внутри каждого вида (механогенные, пирогенные, хемогенные, биогенные) можно проранжировать по степени увеличения свободной внутренней энергии или снижению энергозатрат при производстве того или иного строительного материала. Так для механогенных грунтов Лебединского горно-обогатительного комбината КМА (Курской магнитной аномалии) с точки зрения их использования в качестве сырья для получения дорожно-строительных материалов - грунтобетонов - данное ранжирование будет выглядеть следующим образом: отходы ММС (мокрой магнитной сепарации) железистых кварцитов ® отходы дробильно-сортировочных фабрик (ОДСФ) ® глинистая рыхлая вскрыша.
Кроме вида техногенных воздействий на степень сохранности или изменчивости микроструктур огромное влияние оказывает минеральный состав, типоморфные особенности [3] и тип структуры и микроструктуры, свойственные породе до техногенных трансформаций.
Так, согласно разработанной генетической классификации техногенных грунтов, наиболее приближенными по микроструктурным характеристикам к исходным породам остаются механогенные отходы, и в меньшей степени - пирогенные, хемогенные и биогенные.
Среди механогенных отходов, в свою очередь, также различаются грунты с различной степенью микроструктурных преобразований. В процессе формирования отвалов из вскрышных пород происходит нарушение целостности толщи, т.е. изменяется текстура пород, вещество извлекается различными механизмами (если позволяет прочность горных пород, например, глин, песков), либо предварительно массив нарушают взрывами (при извлечении прочных скальных образований). Далее пустая порода транспортируется, складируется, как правило, не селективно, в результате чего происходит смешение пород различных горизонтов, а также дополнительное нарушение первичного строения. При этом у таких слабых в структурном отношении пород, как глинистые, нарушается и их структура.
Относительно прочные осадочные породы, такие как известняки, песчаники и более прочные - магматические, метаморфические - попадая в зону горных работ при перемещении в отвалы, сохраняют в основной массе свою не только микро-, но и макроструктуру.
Иная картина наблюдается при формировании техногенных грунтов - отходов дробильно - сортировочных фабрик. В результате дезинтеграции, фракционирования и смешения пород различного состава при транспортировке и складировании формируется полидисперсная масса с отсутствием следов первоначальных структур горных пород.
Спецификой техногенных глинистых грунтов, к которым относится рыхлая вскрыша, является возможность формирования в процессе старения отвалов под воздействием динамических нагрузок и в силу присутствия воды, а также существенного нарушения поверхности частиц в процессе техногенных воздействий и, тем самым, формированием активных поверхностных центров, новых коагуляционных связей как между глинистыми частицами, так и между зернами других минералов. Это является следствием кристаллохимических особенностей глинистых минералов и их высокой дисперсности. Однако, за счет нарушения первичной структуры глинистых пород при механических воздействиях и формировании того же типа структур, но в техногенном грунте, основное воздействие оказывают электростатические силы, которые и приводят к первичному сцеплению тонкодисперсных частиц между собой. Причем агрегация наблюдается как в глинистых, так и в преимущественно песчаных отходах.
Это связано с процессами самоорганизации микроструктуры, суть которой выражается в регенерации (самопроизвольном восстановлении) разрушенной механическими воздействиями исходной структуры.
Как известно, свойство самоорганизации глинистых пород в наиболее элементарном случае проявляется в присущей им тиксотропии, которая характеризуется следующим. Техногенный глинистый грунт, через непродолжительное время приобретает некоторую минимальную механическую прочность за счет формирования в нем коагуляционной структуры. Если подвергнуть эту систему механическому воздействию, то ее прочность практически утрачивается. Спустя же некоторое время исходная минимальная прочность системы самопроизвольно восстанавливается, что свидетельствует о реализации процесса самоорганизации данной минеральной системы, поскольку при этом происходит восстановление исходной структуры на микроуровне. Однако более явное осуществление процессов самоорганизации глинистых пород наиболее полно происходит при их взаимодействии с различными химическими реагентами, например неорганическими вяжущими.
Таким образом, повышенная химическая активность глинистых пород, обусловленная высокой степенью их дисперсности, особенностями строения и вещественного состава глинистых минералов, приводит к техногенному литогенезу, происходящему в толщах отвалов при формировании техногенных отложений.
Говоря о том, что по минеральному составу большинство техногенных грунтов не имеют аналогов среди горных пород, мы имеем в виду присутствие минералов относящихся к различным генетическим видам по своим типоморфным признакам. Так, например, как свидетельствует минералого - петрографический анализ песчаной фракции отходов дробильно сортировочной фабрик Лебединского ГОКа КМА и визуальная оценка морфологии зерен и морфологии их поверхности по данным РЭМ [4], наряду с осадочным кварцев (окатанным, с ноздреватой, корродированной поверхностью частиц) в пробе присутствуют зерна кварца метаморфогенного происхождения (остроугольные сколы с раковистым изломом без следов выветривания). При этом также наблюдаются карбонатные зерна, магнетит и т.д. Безусловно, что подобное сочетание минеральных фаз может наблюдаться, например, во флювиогляциальных отложениях, сформированных за счет переноса, смешения и накопления огромных масс обломочного вещества различного происхождения, оставленных ледником после его отступления, и образованные за счёт всех видов движущихся морен. Однако, в силу возраста подобных горных пород их структуры стабилизированы, связи устойчивы, заряды скомпенсированы, чего нельзя сказать о техногенных отложениях, возраст которых по геологической шкале измеряется мгновениями.
Безусловно, среди всех генетических типов техногенных грунтов механогенные стоят особняком, т.к. при высокотемпературном, химическом и биологическом воздействии на горные породы происходит соединение пород различных генетических типов, коренное изменение микроструктуры материнских пород, изменение минерального и химического составов.
В результате на примере механогенных отходов Лебединского ГОКа КМА - рыхлой вскрыши и отходов дробильно-сортировочной фабрики - рассмотрены особенности минерального состава и микроструктуры глинистых и песчаных образований. Установлено, что данные техногенные грунты являются сложноструктурированными полиминеральными полигенетическими техногенными система с реликтовыми и новообразованными структурами, по совокупности свойств не имеющими аналогов среди природных образований.
Предложен механизм структурообразования песчаных отходов, заключающийся в агрегировании полидисперсных зерен ОДСФ в крупные полиминеральные агрегаты, которое происходит как за счет электростатических сил, так и за счет коагуляционных связей, обеспеченных незначительным количеством примесей глинистых минералов.
Предложен механизм формирования микроструктуры глинистых техногенных грунтов, заключающийся в самоорганизации микроструктуры, суть которой выражается в регенерации (самопроизвольном восстановлении) разрушенной механическими воздействиями исходной коагуляционной микроструктуры. Явление самоорганизации обусловлено повышенной химической активностью, высокой степенью дисперсности, кристаллохимическими особенностями строения и минеральным составом глинистых минералов. Показано, что самоорганизация микроструктуры техногенных глинистых грунтов приводит к техногенному литогенезу, происходящему в толщах отвалов при формировании техногенных отложений.
Таким образом, техногенный глинистый грунт механогенного происхождения - это сложноструктурированная полиминеральная полигенетическая система с реликтовыми и новообразованными структурами, способная к самоорганизации микроструктуры, что приводит к техногенному литогенезу отложений техногенных месторождений. Показано, что применение механогенных глинистых грунтов в качестве сырья при производстве дорожно-строительных материалов возможно только с учетом степени техногенных воздействий на исходные породы. На примере техногенных грунтов Лебединского ГОКа механогенные образования проранжированы по степени снижения энергозатрат при использовании их в качестве сырья для получения дорожно-строительных материалов.
СПИСОК ЛИТЕРАУРЫ
- Осипов В.И., Соколов В.Н., Румянцева Н.А. Микроструктура глинистых пород. М.: Недра, 1989. - 211 с.
- Лесовик В.С. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород: Научное издание /В.С. Лесовик. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006. - 526 с.
- Строкова В.В. Управление процессами синтеза строительных материалов с учетом типоморфизма сырья /Строительные материалы. Приложение «Наука», № 4. - М., 2004. - № 9. - С. 2-5.
- Строкова В.В., Лесовик Р.В., Ворсина М.С. Разработка укатываемого бетона на техногенном сырье для дорожного строительства /Строительные материалы. - М., 2004. - № 9. - С. 8-9.