автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Бетоны и теплоизоляционные материалы с использованием активного ила

/V.

О;

Міністерство освіти України ^ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ с£ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

с\.

На правах рукопису

Павлова Людмила Вікторівна

БЕТОНИ ТА ТЕПЛОІЗОЛЯЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ З ВИКОРИСТАННЯМ АКТИВНОГО МУЛУ

Спеціальність'. 05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Харків - 1997

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Будівельні матеріали, конструкції т< споруди" Харківської державної академії залізничного транспорте (ХарДАЗТ). І

Науковий керівник - доктор хімічних нате, професор ПЛУГІН А.М. '

Офіційні опоненти: Лауреат Державної премії України,

заслужений діяч науки та техніки України, член кореспондент АН Грузії, доктор технічних наук, професор МЧЕДЛОВ-ПЕТРОСЯН О.П.

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник СПІРІН Ю.О.

Провідна організація: Інститут водопостачання, водовідведення та екології ДержНДІ УкрВОДГЕО.

Захист відбудеться 22 квітня 1997 року о І2_ годині на засіданн спецішйзованої Ради Д 02.07.03 при Харківському державному техніч ному університеті будівництва та архітектури за адресою: 310002 м.Харків, вул.Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці університету.

Автореферат розіслано " 22 ” Барсіша_____ 1997р.

Вчений секретар спеціалізованої Ради,

Д.Т.Н., професор ЄМЕЛЬЯНОВА І.А

Актуальність роботи. У зв’язку з необхідністю вирішення проблеми організації екологічно чистих безвідходних виробництв поширюється застосування будівельних матеріалів на основі місцевої сировини, а також з використанням відходів різних виробництв. Охорона водоймищ від забруднень шляхом біологічної очистки стічних вод не дає очікуваної ефективності, оскільки самі очисні станції без системи утилізації осадів, що містять активний мул, є джерелами вторинних забруднень біосфери. При цьому надмірний активний мул, що накопичується на мулових картах навколо великих промислових міст, створює широку зону екологічного та соціального дискомфорту, вимагаючи не тільки енергетичних витрат на своє обезводнення, але також відводу все нових та нових земель під мулові карти.

У зв'язку з підвищенням санітарних вимог активний мул станцій біологічної очистки практично перестав використовуватись як добриво в Україні. Його використання в інших цілях не перевищує 0,1-0,3%. Відомі способи утилізації активного мулу при виготовленні деяких будівельних виробів також не можуть забезпечити його масову утилізацію. Для цього необхідно розширити спектр будівельних матеріалів, в яких використовується активний мул, особливо матеріалів та виробів масового застосування.

Мета роботи. Розробка нових матеріалів та виробів з використанням активного мулу та технологічних способів їх виготовлення з урахуванням уявлень про електроповерхневі властивості, явища та взаємодії в дисперсних ситемах.

Задачі роботи:

-дослідження електроповерхневих властивостей складових розроблених матеріалів (активного мулу, цементу, вапна, деревини);

-дослідження механізмів взаємодії активного мулу з неорганічними (цемент, мономінерали, вапно, гіпс) та органічними (деревина) матеріалами з застосуванням комплексних методів;

-розробка сировинних складів бетонів та теплоізоляційних виробів з використанням активного мулу;

-дослідження впливу різних технологічних параметрів на фізико-механічні властивості та фізико-хімічні особливості зразків виробів з використанням активного мулу;

-вибір технологічних регламентів виготовлення бетонів та теплоізоляційних виробів з використанням активного мулу;

-розробка нормативних документів, в т. ч. технічних умов на конструкційно-теплоізоляційний матеріал з використанням активного мулу;

-санітарно-гігієнічна перевірка та екологічний контроль властивостей розроблених матеріалів;

-дослідно-промислова перевірка та впровадження результатів досліджень.

Автор захищає:

-уявлення про механізм взаємодії активного мулу з неорганічними (цемент, мономінерали, вапно, гіпс) та органічними (деревина) матеріалами;

-методики та результати дослідження електроповерхневих властивостей та взаємодій активного мулу та вказаних матеріалів;

-способи утилізації активного мулу при виробництві бетонних виробів;

-способи утилізації активного мулу при виробництві теплоізоляційних плит з відходів деревини.

Наукова новизна:

-теоретично обгрунтовано та експериментально підтверджено, що суміщення різнорідних за своїми властивостями матеріалів - біологічних, органічних та неорганічних - та формування структури та властивостей будівельних матеріалів з цих складових забезпечуються за рахунок їх електроповерхневих властивостей та електрогетерогенної взаємодії (тобто між протилежно зарядженими поверхнями);

-одержані нові експериментальні дані про про вплив концентрацій електроліту на величину ^-потенціалу активного мулу та деревини, про ступінь взаємодії активного мулу та неорганічних в'яжучих речовин по величині щільності осаду в водо-дисперсній системі, а також про міцності характеристики бетонів та теплоізоляційних виробів з активним мулом;

-показано, що знешкоджування матеріалів з активним мулом обумовлено зв'язуванням катіонів важких металів (РЬ, Эп, Ссі, Ст, N1, 2п, Нд) у системах, що досліджуються, продуктами гідратації цементу та деревними матеріалами, що підтверджено дослідженнями за допомогою методів електронного парамагнітного резонансу (ЕПР) та атомно-абсорбційного аналізу;

-одержані нові експериментальні дані про вплив основних технологічних параметрів на фізико-механічні характеристики деревно-мулових матеріалів.

Практична цінність роботи полягає у тому, що автором розроблені способи утилізації активного мулу шляхом його використання замість води замішування у бетонній суміші, а також як з'вязуючого при його попередньому обезводненні до вологості 80% при виробництві тепло-

ізоляційних плит з відходів деревини. Очікувані обсяги впровадження розробки: 1) підприємства по виготовленню деревно-мулових плит з обсягом виробництва 18000 м3/рік; 2) підприємства по виготовленню бетонних та залізобетонних конструкцій потужністю до 100тис.м3/рік, де частина бетону (орієнтовно 20 тис.м3/рік) виготовляється з активним мулом замість води замішування. Це дозволить утилізувати у першому випадку не менше ніж 10000 тон, а у другому - 20000 тон мулу щорічно (при його вологості більше ніж 80%). На вказані матеріали та способи одержані позитивні рішення на видачу патентів України (за заявками №№ 94061608, 93005501) та Російської Федерації (за заявками №№ 94041512, 94025784).

Реалізація результатів роботи полягає у розробці технічних умов ТУ У 01116472.002-96, узгоджених” Укрзалізницею" та МОЗ України, технологічних регламентів та технологічної схеми виготовлення бетонних та теплоізоляційних плит, які прийняті до впровадження на заводі ЗБК "Дорбудтреста” Південної залізниці та в АТ “Південгрансбуд”.

Апробація роботи. Основні результати досліджень доповідались на: чотирьох науково-технічних конференціях Харківської державної академії залізничного транспорту та фахівців залізничного транспорту: 54-й - 1992р., 55-й - 1993р., 57-й - 1995р., 58-й - 1996р.; двох Міжнародних конференціях "Ресурсозберігаючі технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій" (м,Бєлгород, 1993р., 1995р.); науковій конференції "Колоїдна хімія та фізико-хімічна механіка природних дисперсних систем" (м.Одеса, 1993р.); 1-й угорсько-українській конференції з екологічних проблем Карпатського Єврорегіону (м.Ужгород, 1994р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Розвиток технічної хімії в Україні" (м.Харків, 1995р.).

За матеріалами дисертації опубліковано 18 друкованих робіт, в т. ч. учбовий посібник, методичні вказівки, 2 статті та чотири заявки на видачу патенту на винахід.

Структура та обсяг роботи. Робота складається з вступу, 6 глав, висновків, списку літератури з 165 найменувань, 8 додатків та включає 105 сторінок основного тексту, 9 таблиць та 47 малюнків.

У вступі обгрунтована актуальність даної роботи, зформульовані її мета та задачі, висловлені основні положення, які виносяться на захист.

У літературному оглялі (глава 1) дається аналіз природи електропо-верхневої активності матеріалів, що застосовуються у дослідженнях, обгрунтовуються наукові гіпотези, а також області досліджень та застосування їх результатів. Основну увагу було приділено вивченню електроповерхневих властивостей цементного клінкеру, його мономі-нералів, вапна, гіпсу, деревини, а також біологічних клітин активного мулу (АМ).

Виникнення заряду на твердих поверхнях цементно-водних систем більшість дослідників пояснюють з урахуванням концепції активних центрів або потенціалвизначаючих іонів (Комохов П.Г.,Матвієнко В.А., Отава К.( Пащенко О.О., Плугін А.М., Ребіндер П.О., Сватовська Л.Б., Сичов М.М., Такемото К., Четтерджи О.К. та ін.). Реальність існування електричних активних центрів підтверджені численними роботами Дістлера Г.І. та його школи.

За даними Айлера Р., на поверхні "кремне зем-вода" є дискретні центри з позитивним та негативним зарядами. Сумарний заряд поверхні визначається знаком переважаючого заряду. За даними Бабуш-кіна В.І., Комохова П.Г., Перцова М.В., Плугіна А.М., Сичова М.М., заповнювачі бетону (граніт, кремнезем), зерна клінкеру, а також високодисперсні гелеподібні гідросілікати кальцію набувають у воді негативний заряд поверхні, а мікрокристалічні гідросульфоалюмінати, гідро-алюмінати та гідроксид кальцію (портландіт)- позитивний заряд. Наявність поверхневих зарядів твердої фази викликає утворення навколо її часток подвійного електричного шару (ПЕНІ).

У зв'язку з цим бетонну суміш можна уявити у вигляді полідис-персної системи з подвійним електричним шаром ПЕШ на межі твердої дисперсної фази з рідинним дисперсіонним середовищем. Для опису процесів взаємодії між частками цієї системи на ранішніх стадіях твердіння можна застосувати теорію розклинювального тиску ДЛФО. Згідно цієї теорії наближення або відштовхування часток визначається величиною молекулярної, а також величиною та знаком електростатичної складових розклинювального тиску. Мінімальне значення друга складова має дри взаємодії протилежно заряджених часток. На основі теоретичних уявлень колоїдної хімії (Воюцький С.С., Дерягин Б.В., Чернобережський Ю.М. та ін.) електричні взаємодії, що виникають в системах з різнойменними зарядами поверхонь часток, були визначені Плугіним А.М. як електрогетерогенні взаємодії (аналог терміну взаємна коагуляція), на відміну від електрогомогеннх взаємодій - між однойменно зарядженими поверхнями. Обидва ці види взає-

модій разом з високою дисперсністю гідратних новоутворень грають важливу роль при формуванні коагуляційної структури бетонної суміші, структури та міцностних властивостей бетону.

Електроповерхневі властивості та явища притаманні також деревині. Вона має велику кількість функціональних груп, що виконують роль активних центрів на її поверхні (Щєрбаков О.С.,Челіщев 1.Ф.).На думку Мєрсова Є.Д., Мірецького В.Ю., Ребріна С.П., в основі утворення структури деревно-стружкових плит лежить взаємодія між функціональними групами деревини та різних смол. Наявність гідроксильних (-ОН), карбоксильних (-СООН), карбонильних (-СНОН) груп надає поверхні деревини сумарний негативний заряд.

Електроповерхневі властивості та явища виявляють також біологічні матеріали. В силу свого походження дисперсна фаза АМ майже на 50% складається з органічної складової, що включає біологічні клітини найпростіших та мікроорганізмів колоїдних розмірів. За сучасними уявленнями (Дейнега Ю.Ф., Савлук О.С., Фрідріхсберг Д.О.), на клітинній поверхні існує мозаїка з зарядів катіонної та аніонної груп (СООН, ОН, МН3ОН). Завдяки наявності амфотерних груп, на поверхні клітин можлива перезарядка при зміненні рН. Наявність заряду на поверхні клітин також приводить до утворення ПЕШ та виникненню поверхневого та електрокінетичного потенціалів. Дослідження, які були проведені Овчаренко Ф.Д., Перцовим М.В., Ульберг З.Р., Естрелою-Льопісом В.Р., показали, що вибіркова адгезія колоїдних часток до поверхні живих клітин викликана, як одним з можливих механізмів, взаємодією протилежних по знаку поверхневих зарядів. Таким чином, аналіз літературних джерел показав, що наявність зарядженної меж-фазної межі та висока дисперсність компонентів систем, що досліджуються, приводить до необхідності враховувати знак заряду поверхні часток, їх розміри, вплив знаку заряду на характер взаємодії поверхонь. Це дозволяє в свою чергу намітити можливі шляхи змінення електроповерхневих властивостей для одержання матеріалів з заданими кінцевими властивостями. •

Виходячи з цього, була сформульована основна наукова гіпотеза досліджень, яка полягає в тім, що суміщення різнорідних матеріалів -біологічних, органічних та неорганічних - та формування структури та властивостей матеріалів з цих компонентів забезпечуються за рахунок їх електроповерхневих властивостей та електрогетерогенної взаємодії. Механізм взаємодії вказаних речовин при цьому можна визначити таким чином. При використанні АМ замість частини або всієї води замішування в бетонній суміші у склад цементного каменя вводиться нова мікрострукгурна складова у вигляді біологічних клітин, що мають при рН>4 негативний заряд, з розмірами, які зіставлені з розмірами цементних часток. У дисперсній системі виникає надлишок хімічно неактивних часток з негативним поверхневим зарядом, що перешкоджає

7

коагуляції новоутворень цементу у початкові періоди структуроутворення, знижує питомий вміст продуктів гідратації цементу у дисперсній системі, порушує співвідношення між позитивно та негативно зарядженими поверхнями, приводить до змінення рухомості бетонної суміші та міцності цементного каменя та бетону.

Що стосується взаємодії клітин АМ та деревних відходів, то при pH—1 поверхні цих складових заряджені різнойменно (негативно), що зумовлює низьку міцність деревно-мулових матеріалів. Для забезпечення елекгрогетерогенної взаємодії між ними та підвищення за рахунок цього міцності вказаних матеріалів було запропоновано обробляти поверхню деревини водним розчином А1С13-6Н20. В результаті над-еквівалентної адсорбції катіонів А13+ на одновалентних негативно за-ряджещпс активних центрах поверхня деревини повинна перезарядитись позитивно, що створить умови для елекгрогетерогенної взаємодії з негативно зарядженими частками АМ (при pH=7). Перезарядка поверхні деревини за допомогою водних розчинів солей високоваленг-них катіонів, зокрема А13+, стало другою науковою гіпотезою досліджень.

Головною умовою при утилізації АМ є його знезаражування. По літературним джерелам встановлено, що для цього застосовуються теплова обробка активного мулу при температурі > 60°С та лужне середовище при pH >11. Окрім того, катіони важких металів при pH > 11 зменшують свою рухомість, а застосування високодисперсних матеріалів, особливо цеолітів, зв'язує катіони адсорбційнним шляхом. Це передумовлює можливість застосування АМ у бетонах, технологія прискореного виготовлення яких передбачає підвищену температуру (як правило, 80-90°С), а сам бетон характеризується високою лужністю рідинного середовища (рН>12) та високою питомою поверхнею основних продуктів гідратації - гідросілікатів кальцію. Найбільш доцільним при цьому є застосування активного мулу станцій біологічної очистки для важких бетонів та теплоізоляційного керамзитобетону, де витрачається невелика кількість цементу.

Високорозвинена внутрікапілярна з негативним зарядом стінок структура деревини, застосування досить високих температур (110-120°С) при виготовленні деревно-стружкових та деревно-волокнистих плит, повинні також забезпечити знезаражування АМ у цих виробах.

З урахуванням викладеного, в роботі намічені два вида матеріалів -важкий та легкий бетони та теплоізоляційні плити-, при виробництві яких можлива ефективна утилізація АМ.

У лругій главі приведені характеристики матеріалів, що використовуються при проведенні досліджень: портландцемент марки М400 АТ “Балцем", гіпс будівельний з сировини Артемівського родовища, пісок кварцевий Безлюдівського кар'єру Харківської області, щебінь Ново-

українського кар’єру, суміші фракцій 5-20 мм, керамзит Харківського ДБК-1, суміші фракцій 5-20 мм, відходи деревини переважно хвойних пород у вигляді тирси довжиною до 2 мм.

Надмірний АМ - продукт біологічної очистки міських стічних вод. АМ є колоїдно-дисперсною системою, що складається з комплексу мікроорганізмів з адсорбованими на них органічними та неорганічними речовинами.

Дослідження впливу АМ на властивості бетону здійснювалось на зразках розмірами 10x10x10 см з бетону невисокої міцності (И^даїб МПа та менше). Для важкого бетону оптимальна макро- та мезострук-тура забезпечувалась за рахунок дотримування оптимальних коефіцієнтів розсунення зерен щебню 0!^ = 1,2 та піску р,опт =2,7 згідно з уявленнями, розробленими у ХарДАЗТ. Приведена відповідна методика розрахунку складу бетону. Для керамзитобетону забезпечувалась оптимальна макроструктура за рахунок дотримування оптимального коефіцієнта розсунення гранул керамзиту аот, Оптимізація макроструктури, тобто розчинної складової, для теплоізоляційного керамзитобетону не проводилась через великі витрати цементу, потрібних для забезпечення цош.=2,7, що веде до збільшення щільності та міцності, не властивих теплоізоляційному керамзитобетону. Використання у дослідженнях бетону з оптимальною макро- та иезоструктурою забезпечило більш високу повторюваність результатів при мінімальних обсягах експериментів. Всі зразки бетону та цементного каменя виготовлялись при пропарюванні за стандартним режимом.

У цій же главі приведено опис оригінальних методик, розроблених для вивчення механізму взаємодії АМ та різних складових будівельних матеріалів. Для оцінки взаємодії АМ та неорганічних речовин була розроблена методика вимірювання ступеня коагуляції дисперсної системи по щільності осаду дисперсної фази. Для оцінки ефективності перезарядки поверхні деревних відходів (тирси) розроблена методика, за якою оцінка ступеня адсорбції катіонів А13+, що застосовується для перезарядки деревини, здійснювалась по зміненню концентрації водних розчинів А1С13-6Н20 до контакту з тирсою та після. Вказані розчини вводилися в електрохімічний ланцюг з двома комірками, заповненими вказаними розчинами, у якому за рахунок різниці концентрацій цієї солі виникала ЕДС (концентраційний потенціал). Вимі- • рювання ЕДС дозволяє оцінити відносне змінення концентрації іонів

де С1 та Сп - відповідно, концентрація розчину до та після взаємодії з деревиною, моль/л; Е - вимірене стале значення ЕДС у концентрацій-

А13+ у розчині по формулі:

Е-гР

ЯТ

(1)

ному ланцюгу, мВ; г ■ валентність іона; Б - число Фарадея, Кл/моль; II-універсальна газова стала, Дж/ (моль-град); Т - абсолютна температура.

Тут же приведені короткі відомості про інші застосовані методи: вимірювання ^-потенціалу, фізико-хімічних досліджень, контролю екологічної безпеки та санітарно-гігієнічного контролю. Приведений короткий опис способу виготовлення теплоізоляційних плит.

У третій главі приведені результати експериментальних досліджень електроповерхневих властивостей та взаємодій систем, що досліджуються.

З метою визначення знаку заряду поверхні систем, що досліджуються, а також для підтвердження гіпотези про перезарядку деревини високовалентними катіонами А13+ визначали ^-потенциал шляхом вимірювання потенціалу протікання у порошкових діафрагмах. Результати, представлені на мал.1, наочно підтверджують цю гіпотезу та дозволяють вибрати оптимальну для цього концентрацію водного розчину А1С13-6Н20 (Сога.=0,03 моль/л). Перезарядка поверхні деревини зумовлена специфічною адсорбцією іонів А1 + на поверхні деревини, про що свідчать отримані нами спектри ЯМР 27А1 (мал.2). Як показує порівняння параметрів ЯМР алюмінія у октаедрічному (хімічний зсув 8»0 м.д.г крива 1) та тетраедрічному (хімічний зсув &»50 м.д.,криві 2,3) оточенні, взаємодія целюлози деревини з алюмінієм здійснюється за рахунок комплексоутворення з атомами кисню гідроксильних груп при одночасному заміщенні у них атомів водню. При цьому алюміній попадає в оточення атомів кисню, що належать функціональним групам целюлози.

Експериментальні дослідження ЕДС концентраційного ланцюга також підтвердили факт перезарядки поверхні деревини водним розчином А1С13-6Н20, про що свідчила поява негативного значення ЕДС, зумовлене зменшенням концентрації цього розчину після взаємодії з поверхнею деревної тирси.

За результатами вимірювання ступеня коагуляції різних дисперсних систем найбільший ступінь ущільнення осадка властивий системам, які мають різнойменний заряд поверхні часток (АМ-вапно, АМ-С3А). У систем, які мають однойменно заряджені поверхні (АМ - цемент, АМ-С2Б, АМ-С35), або незначний заряд поверхні (АМ-гіпс), така взаємодія відсутня або виражена слабо, що підтверджується набагато меншим ступенем коагуляції для цих систем. Це доводить справедливість основної гіпотези досліджень, згідно якої в основі формування більш міцних структур у системах, що досліджуються, лежить взаємодія часток з різнойменно зарядженими поверхнями, тобто електро-гетерогенна взаємодія. -

Четверта глава присвячена дослідженню впливу різних технологічних параметрів на основні (фізико-механічні) характеристики

Мал.1.Залежність ^-потенціалу деревного боропша від концентрації А1С13.

Мал.2.Спекгри ЯМР 27А1 зразків: 1 - розчин А1С13 (репер);

2 - деревне борошно, яке оброблене розчином А1С13, та активний мул; 3 - деревне борошно, яке оброблене розчином А1С13.

бетонів, у т. ч. легких, та деревно-мулових плит, що містять активний мул.

Результати досліджень для важкого бетону з оптимальною макро-та мезоструктурою аопг= 1,2, цопг=2,7 показують, що введення АМ у бетонну суміш як води замішування до 15% не впливає на міцність бетонних зразків, а подальше збільшення кількості АМ у бетонній суміші приводить до зниження міцності бетону.

Це пояснено виникненням надмірної кількості негативно заряджених часток, порушуючим принцип взаємної коагуляції системи, а також включенням у склад мікроструктури цементного каменя негідра-туючих (інертних) елементів мікроструктури у вигляді негативно заряджених біологічних клітин АМ, що зменшує питомий вміст продуктів гідратації цементу в цементному камені, насамперед за рахунок гідросілікатів кальцію.

Про порушення принципу взаємної коагуляції та зниженні при цьому міцності свідчать дані мал.З, на якому представлена залежність міцності бетонних зразків при стиску від поверхневої (об'ємної) частки АМ в мікроструктурі цементного каменя Х.АМ.

У зв’язку з близькими розмірами цементних часток та біологічних клітин АМ об'ємну та поверхневу частки Я.АМ біологічних клітин АМ в загальному обсязі цементного каменя можна прийняти рівними та визначати їх по формулі:

^АМ ~ е ^ д » (2)

ЛАМ + ац

де Бдм - площа поверхні часток біологічних клітин АМ, що містяться у 1 м3 бетону, см2/м3; 5Ц- площа поверхні цементних зерен, що містяться у 1 м3 бетону, см2/м3.

Величина Бдм визначалась по масі та щільності сухого залишку білкової частини АМ (мембранна речовина) та середній товщині мембрани білкової клітини («100 А).

Для відновлення повноти взаємної коагуляції (електрогетерокоагуля-ції) при формуванні структури цементного каменя та бетону з АМ запропоновано вводити у бетонну суміш вапно СаО, що повинно збільшити вміст позитивно заряджених портландітових мікрокристалічних часток Са(ОН) 2 з позитивним поверхневим зарядом. Для відображення механізму цього впливу оцінювали відношення площ поверхонь портландіту, що утворюється з СаО, та АМ: 3Са(он)і/3АМ. За даними мал.4 міцність бетону дійсно збільшувалась при введенні у його склад вапна. При цьому досягався приріст міцності бетону, в порівнянні з контрольним (без АМ) бетоном, при співвідношенні площ поверхонь Са(ОН)2 та АМ 3Са(он12/5АМ = 1+ 1,2(або по масі тСа0/хпАМ = 4+ 5). Це відповідає приблизно рівним площам поверхонь Са(ОН)2 та АМ

Мал.З.Залежність границі міцності при стиску бетонних зразків Я,.,, від об' ємної (поверхневої) частки активного мулу ХАМ в структурі цементного каменя.

Мал.4.Залежність границі міцності при стиску бетонних зразків йст від співвідношення площ поверхонь Са(ОН)2 та активного мулу 3АМ в бетоні. *

та свідчить про компенсацію надлишку негативно заряджених часток у бетонній суміші позитивно зарядженими.

Вивченню впливу АМ на властивості керамзитобетону передували дослідження по оцінці впливу коефіцієнтів розсунення гранул керамзиту а та зерен піску ц та уточненню величини аот, оскільки такі дослідження до цієї роботи не проводились. Результати досліджень приведені на мал.5,6. Максимум міцності при = 1,2 (мал.5) відповідає найбільш щільному та, отже, найбільш міцному прошарку розчинної складової між гранулами керамзиту, що, як і для важкого бетону, зумовлено розташуванням в середньому одного ряду часток піску в прошарку між гранулами керамзиту.

За даними мал.6 міцність керамзитобетону збільшується при збільшенні коефіцієнта р. від 1,03 до 1,6 (відповідає теплоізоляційному керамзитобетону). Оптимальне значення цопт у вказаних межах не досягнуто. Додаткові експерименти показали, що максимальна міцність керамзитобетону досягається, як і для важкого бетону, при р.от.=2,7. Отримані залежності міцності керамзитобетону ^ від величин а та ц і значення Оорт та цоггг аналогічні таким для важкого бетону. Це свідчить про те, що принципи оптимізації структури бетону на макро- та мезорівнях за рахунок оптимізації коефіцієнтів а та ц, що розвинені у ХарДАЗТ, зберігаються і для легких бетонів, зокрема керамзитобетону.

При розрахунках складів теплоізоляційного керамзитобетону у виробничих умовах доцільно оптимізувати тільки макроструктуру бетону за рахунок дотримування величини аогтг. Величина ц при цьому буде визначатись потрібної міцністю керамзитобетону, тобто витратами цементу та води.

Дослідження впливу АМ та вапна на міцність теплоізоляційного керамзитобетону здійснювалось для бетону з оптимальною макроструктурою (аопт = 1,2) та міцністю контрольних зразків (без АМ) 11^10 МПа. Отримані залежності аналогічні таким для важкого бетону. При цьому спостерігалось підвищення міцності керамзитобетону з АМ замість води затворення у 2 рази при співвідношенні 8Са|0н)2/3АМ = 1,6+ 1,7 (що відповідає відношенню по масі тСа0/тАМ = 2,1+2,3). Невелике збільшення цих параметрів в порівнянні з важким бетоном викликано підвищеною адгезією Са(ОН)2 на більш розвиненій поверхні керамзитових зерен та в їх капілярах.

Для розробки складу сировинної суміші теплоізоляційних деревно-мулових плит проведені дослідження залежностей міцності при вигині Ивиг стандартних зразків (1x5x25 см) від вмісту у суміші АМ та розчину А1С13 6Н20, вологості сировинної суміші, величини тиску пресування та вібропресування. Попередніми випробуваннями виявлено нелі-

Мал.5.Залежність границі міцності при стиску керамзитобетону від коефіцієнта розсунення гранул керамзиту а.

Мал.б.Залежність границі міцності при стиску керамзитобетону від коефіцієнта розсунення зерен піску ц.

ншнии, досить складний характер впливу кожного з цих факторів на міцність зразків. У зв'язку з цим при робочих дослідженнях знаходились парні залежності міцність-один з факторів при інших факторах, закріплених на рівнях, близьких до оптимального. Всі отримані залежності мають екстремальний характер, що дозволило установити оптимальне співвідношення компонентів сировинної суміші: АМ - 60% (при вологості 80%), тирса - 30% (при вологості 10%), А1С13 - 10% (при концентрації розчину 1 моль/л), вологість такої сировинної суміші 28-32%. Застосування вібропресування у три рази ефективніше пресування, що дозволить знизити потрібну у технології ДСП потужність преса та формувати плити при тиску 1,4 МПа (замість 2,5 МПа).

У п’ятій главі приведені результати фізико-хімічних досліджень розроблених матеріалів. На ІЧ-спектрах зразків цементного каменя з додаванням АМ спостерігається зниження інтенсивності смуг поглинання, що відповідають низькоосновним (980 см-1) та високоосновним (1440 см'1) гідросілікатам кальцію. Кількість гідросульфоалюмінатів кальцію (3400 см-1, 1600 см"1) практично не змінюється. Це підтверджує припущення про зниження питомого ступеня гідратації цементу за рахунок гідросілікатів кальцію та зменшення у зв'язку з цим міцності цементного каменя та бетону з АМ.

Для оцінки ступеня зв'язування катіонів важких металів вивчались спектри ЕПР вихідного АМ та композиції АМ-цемент. При цьому відбувається перерозподіл внеску парамагнітних форм для катіонів Си(ІІІ) та Ре(III) - доля гідратованих форм зменшується з одночасним збільшенням зв'язаних розвиненою поверхнею негативно заряджених гідросілікатів кальцію форм міді та заліза. З цими даними корелюють дані виконаного атомно-абсорбційного аналізу кислотних витяжок із зразків розроблених матеріалів. Катіони важких металів у витяжках не виявлені окрім міді та заліза, концентрація яких не перевищує ГДК, які встановлені санітарними нормами.

У шостій главі представлені розроблені по результатам досліджень технологічні регламенти та технологічні схеми виробництва теплоізоляційних плит з застосуванням АМ. За основу прийнята технологічна схема виробництва ДСП. Особливості розробленої технологічної схеми містяться у попередній обробці подрібнених деревних відходів розчином А1С13-6Н20, а також у необхідності виготовлення таких форм-пакетів, у яких зусилля пресування зберігалось незмінним протягом всього часу термообробки. Результати випробувань плит показали, що міцностш характеристики відповідають вимогам ДСТ на плити аналогічного призначення, а показники по водопоглинанню та розбуханню по товщині менше, ніж у ДСП.

По результатам виконаних досліджень розроблені та затверджені "Укрзалізницею" технічні рюви ТУ У 01116472.002-96 "Теплоізоляцій-

ний та конструкщйно-теплоизолящйний матеріал з застосуванням активного мулу станцій біологічної очистки міських стічних вод". Після проведення санітарно-гігієнічних досліджень дані ТУ узгоджені Міністерством охорони здоров'я України.

У лабораторії ХарДАЗТу були виготовлені дослідні зразки плит та виробів з них. Розроблена технологія виробництва деревно-мулових плит та виробів з них прийнята до впровадження на заводі ЗБК "Дор-будтреста" Південної залізниці та в АТ “Південгрансбуд".

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1-Електроповерхневі властивості активного мулу (АМ) станцій біологічної очистки міських стічних вод зумовлюють його активну взаємодію з неорганічними та органічними матеріалами, які також володіють електроповерхневими властивостями у водному середовищі. Це створює передумови для використання АМ при створенні будівельних матеріалів, зокрема важких, легких бетонів та теплоізоляційних деревно-мулових плит, з метою вирішення проблеми утилізації АМ.

2.Встаноа\ено вибірковий характер взаємодії клітин АМ з неорганічними в'яжучими речовинами (цемент, вапно, гіпс), мінералами цементного клінкеру, а також з подрібненою деревиною (тирса, борошно). При цьому максимальне притягання, що оцінюється ступенем коагуляції дисперсної системи, спостерігається для дисперсних фаз з протилежними поверхневими зарядами (АМ-вапно, АМ-С3А), що підтверджує гіпотезу про електрогетерогенну взаємодію як головний чинник структуроутворення та міцності матеріалів, що створюються.

3.Експериментально доказано, що АМ не знижує міцність цементного каменя та бетону при його вмісті у воді замішування до 15%. За даними методу 14-спектроскопії зниження міцності при вмісту АМ понад 15% зумовлено зменшенням кількості гідросілікатів кальцію у складі гідратних новоутворень, що зменшує повноту взаємної коагуляції (електрогетерогенної взаємодії) при структуроутворенні цементного каменя. Введення у склад бетону разом з АМ оптимальної кількості вапна відновлює взаємну коагуляцію та приводить до збільшення міцності бетону.

4.Для реалізації електрогетерогенної взаємодії у створених деревно-мулових матеріалах запропоновано перезаряджати поверхню деревного заповнювача (тирси) за допомогою водних розчинів А1С13. Ефект перезарядки підтверджено вимірюваннями електрокінетичного (£;-) потенціалу, концентраційного потенціалу та методом ЯМР.

5.Виконано дослідження впливу різних технологічних параметрів на фізико-механічні характеристики експериментальних композицій.

По результатам цих досліджень розроблені ефективні склади бетону та теплоізоляційного керамзитобетону, у яких замість води замішування використовується АМ з вторинних відстійників. При цьому катіони важких металів, що містяться у АМ, зв'язуються поверхнею продуктів гідратації цементу, що підтверджено результатами фізико-хімічних досліджень (ЕПР, атомно-абсорбційний аналіз). Це забезпечує екологічну безпеку бетону, що містить АМ, та дозволяє утилізовати АМ у великих обсягах.

6. Розроблено новий теплоізоляційний матеріал з використанням АМ, технологічні регламенти та технологічні схеми виробництва теплоізоляційних деревно-муловых плит (ДМП). Технологія виробництва ДМП прийнята до впровадження на заводі ЗБК "Дорбудтреста" Південної залізниці та в АТ "Південтрансбуд" з метою виготовлення щитів для обшивки товарних та пасажирських вагонів.

7. Розроблені, затверджені та узгоджені в Міністерстві охорони здоров'я України Технічні умови 01116472.002-96 на теплоізоляційний та конструкційно-теплоизоляційний матеріал з застосуванням активного мулу станцій біологічної очистки міських стічних вод. По результатам досліджень одержано 4 позитивних рішення про видачу патентів на винахід.

Основні положення та результати роботи розкриті у публікаціях:

1.Плугин АН., Павлова Л.В. Расчетный способ определения состава конструкционно-теплоизоляционного керамзитобетона //Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций. Тезисы докладов на международной конференции. Белгород: БТИСМ, 1993.- Ч. 2,- С.87.

2.Плугин А.Н., Павлова Л.В. О механизме взаимодействия биологической составляющей сточньїх вод с неорганическими строительными материалами и вопросы экологии // Там же.-Ч. 3.-С.64.

3.Плугин А.Н., Павлова Л.В.Использование осадков биологической очистки сточных вод при изготовлении строительных материалов // Там же.-С.65.

4.Павлова Л.В.,Плугин Арк.Н. Коллоидно-химические аспекты утилизации активного ила при изготовлении строительных материалов // Тезисы докладов на научной конференции. Одесса: НПО "ВОТУМ", 1993.- С.135.

5.Павлова Л.В., Плугін ДА.,Куряча В.А. та и інш. Шляхи підвищення міцності композицій на основі деревини та активного мулу // Тези доповідей 55-ї науково-технічної конференції кафедр Харківського інституту інженерів залізничного транспорту та спеціалістів залізничного транспорту. Харків: ХІІТ, 1993.-С.29.

6.Plugin AN., Pavlova L.V., Plugin D.A Building Materials with Biological Solids // The 1-st Hungarian-Ukrainian Conference on Carpathian Euroregion Ecology. Uzhgorod, 1994.-P.15.

7.Плугин АН., Павлова Л.В., Пинчук B.B. и др. Модифицирование древесины и активного ила как сырьевых компонентов новых композиционных Материалов // Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций. Тезисы докладов на международной конференции. Белгород: БГТАСМ, 1995.- С. 194-195.

8-Трачевский В.В., Павлова Л.В. Методология применения радиоспектроскопии в определении оптимальных условий создания новых строительных материалов II Развитие технической химии в Украине. Тезисы докладов на международной научно-технической конференции. Харьков, 1995. - С.186.

Э.Плугин АН., Павлова Л.В.,Пинчук В.В. и др. Исследования санитарно-гигиенических характеристик новых строительных материалов на основе отходов производства // Там же.- С.187-188.

Ю.Свергузова С.В., Денисова Л.В., Балягинская Л.Н., Павлова Л.В. Определение уровня экологически опасного воздействия строительных материалов // Там же,- С. 189.

П.Плугин АН., Павлова Л.В., Пинчук В.В. Исследование влияния добавки хлорида алюминия на фкзгасо-механические свойства древесно-иловых композиционных материалов // Межвузовский сборник научных трудов. Харьков: ХарГАЖД, 1996.-Вып.26.-Т.1,- С.47-53.

12.Способ утилизации активного ила. Патент UA №10290 А, кл.С04В 18/00, дата приоритета 22.07.93 г.

13.Сырьевая смесь для изготовления теплоизоляционного материала. Положительное решение от 28.11.9бг. о выдаче патента Украины по заявке № 93005501, дата приоритета 13.12.93 г.

14.Способ утилизации активного ила. Положительное решение от 14.02.96г. о выдаче патента Российской Федерации по заявке №94025784, дата приоритета 22.07.93 г.

15.Сырьевая смесь для изТотовления теплоизоляционного материала. Положительное решение от 25.01.96г. о выдаче патента Российской Федерации по заявке № 94041512, дата приоритета 13.12.93 г.

16.Технология изготовления строительных материалов: Учебное по-собие./Плугин А.Н.,Сафронов B.C..Павлова Л.В. и др. Под ред. АН. Плугина, B.C. Сафронова. Харьков:ХарГАЖТ, 1997,- 97 с.

17.Плугин АН., Павлова Л.В., Пинчук В.В. Методические указания

к лабораторно-практическим работам по курсу "физико-химическая механика строительных материалов и конструкций". Харьков: ХарГАЖТ, 1997.-38с. ■

18.Plugin A.N., Plugin АА, Kalinin О.А., Pavlova L.V., etc. The electrical active centers role in concrete strength and one destruction // Proc.

of 5th Intern. Conf. "Modem Building Materials, Structures and Techniques". Vilnius:Technika,1997.-V.l.-P.43-48.

АННОТАЦИЯ

Павлова Людмила Викторовна. "Бетоны и теплоизоляционные материалы с использованием активного ила".

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05. Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 1997.

Работа посвящена исследованию механизмов взаимодействия различных по свойствам составляющих строительных материалов - неорганических, органических и биологических - и разработке на этой основе технологических способов утилизации активного ила станций биологической очистки городских сточных вод. В результате проведених исследований установлено, что в основе механизма совмещения этих составляющих лежат електрогетерогенные контакты (между противоположно заряженными поверхностями). Этот вывод основывается на полученых данных физико-химических исследований електроповерхностных свойств неорганических вяжущих веществ, органических наполнителей, / биологической составляющей активного ила.

Разработаны технологические схемы и определены оптимальные технологические параметры изготовления строительных материалов (тяжелого и легкого бетонов, теплоизоляционных плит), в которых используется активный ил с целью его утилизации.

Ключові слова: бетон, теплоизоляційні матеріали, активний мул, елект-рогетерогенні контакти, елекгроповерхневі властивості та явища, міцність, технологія.

ABSTRACT

Pavlova Ludmila Victorivna. "Concretes and termoinsulating materials with the use of biological solids".

Thesis for Candidate of science degree on speciality 05.23.05. Kharkov State Technical University of Building and Architecture, Kharkov, 1997.

The thesis deals with study of interaction mechanism between the diverse in properties non-organic, organic and biological components of construction materials. Based on this study, the development of utilization technologies for biological solids of city sewage purification facilities was

made. As a result of the research work, it was discovered that the mechanism of the components interaction is based on electro-heterogeneous contacts (the ones between two oppositely charged surfaces). This conclusion was drawn from the results of physics-chemical analysis of electro-surface properties of non-organic binding materials, organic fillings and biological solids.

The technological scemes were developed and the optimum technological factors were determined for construction materials (heavy and lightweight concretes, termoinsulating boards) production which provides biological solids utilization.

Key words: concrete, termoinsulating materials, biological solids, electro-heterogeneous contacts, electro-surface properties and phenomena, strength, technology.