автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Безавтоклавные композиты на основе боя стекла

Введение.

1. Структурообразование, свойства, технология изготовления и применение композитов на основе отходов стекла.

1.1. Опыт использования отходов стеклав строительной отрасли.

1.2. Составы, свойства и технология получения композитов на основе природных каменных материалов и отходов промышленных предприятий со стекловидной структурой.

1.3. Современные представления о структурообразовании композиционных строительных материалов на основе боя стекла.

1.4. Выводы по главе.

2. Цель и задачи исследований. Применяемые материалы и методы.

2.1. Цель и задачи исследований.

2.2. Применяемые материалы.

2.3. Методы исследований.

2.4. Выводы по главе.

3. Теоретические аспекты структурообразования и исследование технологии получения вяжущих материалов и бетонов на основе боя стекла.

3.1.Теоретические аспекты структурообразования композитов на основе боя стекла.

3.2. Исследование технологии получения вяжущих материалов.

3.3. Технология изготовления растворов и бетонов на основе связующего из боя стекла.

3.4. Выводы по главе.

4. Получение и свойств а вяжущ их материалов на отходах стекла, твердеющих в нормальных и термовлажностных условиях.

4.1. Исследование зависимости изменения прочности связующих от основных структурообразующих факторов.

4.2. Водостойкость связующих.

1.3. Химическое сопротивление в водных растворах щелочей.

1.4. Химическое сопротивление в растворах кислот.

4.5. Химическое сопротивление в нефтепродуктах.

4.6. Биологическое сопротивление связующих.

4.7. Повышение физико-механических свойств и долговечности связующих и бетонов на основе боя стекла с помощью модифицирующих добавок.

4.8. Выводы по главе.

5. Физико-технические свойства растворов и бетонов на основе вяжущего из боя стекла.

5.1. Строительные растворы и мелкозернистые бетоны.

5.2. Тяжелые бетоны.

5.3. Керамзитобетоны.

5.4. Пенобетоны.

5.5. Газобетоны.

5.6. Выводы по главе.

6. Производственное внедрение и экономическая эффективность применения композитов на основе связующего из стеклобоя.

6.1. Принципиальная технологическая схема изготовления связующих растворов и бетонов.

Актуальность работы. Одной из важнейших проблем современного строительного материаловедения является получение эффективных композиционных материалов с применением местного сырья и отходов промышленных предприятий. Это связано с необходимостью охраны окружающей среды, дефицитностью отдельных строительных материалов и т. д.

Среди всего многообразия техногенных отходов, которые в больших количествах сбрасываются в отвалы, значительная часть приходится на бой стекла. Объем его отходов только по России составляет около 4 млн т в год. Большая его часть попадает на свалки, способствуя их быстрому заполнению и тем самым загрязняя окружающую среду. А между тем бой стекла является эффективным вторичным ресурсом, который может быть использован строительной индустрией при получении связующих, растворов, бетонов и конструкций на их основе.

Используемые в настоящее время способы изготовления строительных материалов с применением боя стекла базируются на технологиях, предусматривающих спекание сырья при высоких температурах или его обработку в автоклавах. Учитывая высокую энергоемкость, а соответственно и стоимость этих процессов, наиболее перспективным направлением решения проблемы утилизации стеклобоя с нашей точки зрения, является получение вяжущих, композиционных строительных материалов и изделий, способных отверждать-ся при температурах, не превышающих 90 °С, или в нормальных температурно-влажностных условиях. Указанные технологические процессы могут быть осуществлены на традиционных промышленных линиях по производству композиционных материалов и изделий на основе цементов, что позволит получить значительный экономический эффект при внедрении таких технологий в производство. В этой связи исследования, направленные на разработку безавтоклавной технологии получения, оптимизацию составов и исследование свойств вяжущих из боя стекла, а также эффективных строительных материалов и изделий на их основе являются исключительно актуальными.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является научное обоснование приемов и методов получения вяжущих материалов из боя стекла, а также эффективных строительных материалов и изделий на их основе при нормальных температурно-влажностных условиях или при температурах, не превышающих 90 °С.

В целом задачи исследований состоят в следующем:

1. Установить закономерности структурообразования связующих из боя стекла и композиционных строительных материалов на их основе на уровне микро- и макроструктуры.

2. Разработать рациональную технологию получения вяжущих материалов, растворов и бетонов с применением отходов стекла, а также строительных изделий с их использованием.

3. Оптимизировать составы вяжущих и композиционных строительных материалов по показателям прочности, водо- и морозостойкости, химического и биологического сопротивления, теплопроводности.

4. Установить основные физико-технические свойства строительных растворов, тяжелых и легких бетонов, пено- и газобетонов на основе вяжущего из боя стекла.

5. Получить количественные зависимости изменения физико-механических свойств композитов при воздействии химических и биологических агрессивных сред, циклически действующих температур.

6. Подобрать эффективные добавки для композитов на основе связующего из боя стекла, позволяющие улучшить их физико-механические свойства и долговечность в условиях воздействия химических и биологических агрессивных сред.

Научная новизна работы. Получены эффективные безавтоклавные строительные материалы на основе боя стекла, обладающие повышенной стойкостью в растворах кислот и биологически активных средах. Выявлены основные закономерности протекания процессов структурообразования вяжущих материалов, компонентами которых являются порошки стеклобоя и алюмоси-ликатных материалов, затворяемых щелочными растворами и отверждаемых при термовлажностной обработке или нормальных температурно-влажностных условиях.

Идентифицирован качественный состав продуктов взаимодействия в тройной системе «стекло - алюмосиликатная добавка - щелочь».

Подобраны эффективные добавки, позволяющие улучшить физико-механические свойства безавтоклавных композитов на основе боя стекла и повысить их долговечность в условиях воздействия химических и биологических агрессивных сред.

Разработана технология производства вяжущих материалов, растворов, а также тяжелых, легких и ячеистых бетонов на основе боя стекла, способных от-верждаться при нормальных температурно-влажностных условиях и температурах, не превышающих 90 °С.

Практическая значимость работы.

1. Разработана безавтоклавная технология получения вяжущих, растворов и бетонов на основе боя стекла, открывающая новые пути для утилизации ряда промышленных отходов и побочных продуктов, которая является менее энергоемкой по сравнению с известными технологиями, предусматривающими применение автоклавной обработки.

2. Оптимизированы составы вяжущих материалов на основе боя стекла и различных алюмосиликатных компонентов, способных отверждаться при нормальных гемпературно-влажностных условиях и температурах, не превышающих 90 °С.

3. Получены эффективные составы растворов и бетонов различных видов с улучшенными физико-механическими и технологическими свойствами.

4. Экспериментально найдены количественные зависимости изменения физико-механических свойств композитов на основе боя стекла при воздействии химических и биологических агрессивных сред, циклически действующих температур.

5. Выявлены оптимальные технологические режимы получения растворов и бетонов разных видов.

Внедрение результатов работы. Разработанная технология прошла промышленную апробацию на АО «Лисма» и АО «ЖБК-1». На производственных площадях АО «Лисма» смонтирована технологическая линия по очистке боя стекла от металлических и других включений и его измельчению до необходимой крупности. Линия позволяет производить полноценную подготовку связующего на его основе для дальнейшего использования при получении строительных материалов различного назначения. На АО «ЖБК-1» в г. Саранске осуществлена привязка разработанной технологии изготовления бетонов на основе стеклобоя к технологии производства мелкоштучных блоков. Выпущена опытно-промышленная партия мелкоштучных строительных изделий на основе связующего из стеклобоя с применением легких и тяжелых заполнителей, а также газобетонных пиленых камней.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на следующих внутривузовских, всероссийских и международных конференциях и семинарах: XXXV международном семинаре по проблемам моделирования и оптимизации композитов (Одесса, 1996); Международной научно-технической конференции «Резервы производства строительных материалов» (Барнаул, 1997); XXXVI международном семинаре по проблемам моделирования и оптимизации композитов «Компьютерное материаловедение и обеспечение качеств а» (Одесса, 1997); Первой конференции молодых ученых Мордовского госуниверситета (Саранск, 1997); Третьих академических чтениях «Актуальные проблемы строительного материаловедения» (Саранск, 1997); Второй конференции молодых ученых Мордовского государственного университета (Саранск, 1997); Международной конференции « Инженерные проблемы современного бетона и железобетона» (Минск, 1997); Четвертых академических чтениях «Современные проблемы строительного материаловедения» (Пенза, 1998); Третьей конференции молодых ученых Мордовского госуниверситета (Саранск, 1998); XXXVII международном семинаре по оптимизации композитов «Моделирование в материаловедении» (Одесса, 1998); Всероссийской конференции «Экологические проблемы биодеградации промышленных, строительных материалов и отходов производств» (Пенза, 1998); Научной конференции Мордовского государственного университета имени Н.П.Огарева «XXVII Огаревские чтения» (Саранск, 1998); Международной научно-практической конференции «Современное строительство» (Пенза, 1998); Четвертой научной конференции молодых ученых Мордовского государственного университета имени Н.П.Огарева (Саранск, 1999); Второй Всеукраинской научно-технической конференции «Науково-практичш проблем и сучасного за-л1зобетону» (KnïB, 1999); Конференции ученых Мордовского госуниверситета (Саранск, 1999).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованных источников из 155 наименований. Она изложена на 152 страницах машинописного текста, включает 38 рисунков, 10 таблиц, 3 приложения. Работа выполнена на кафедре строительного производства Мордовского госуниверситета.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана технология получения кислотостойких и биостойких вяжущих материалов из боя стекла, затворяемых щелочными растворами, и эффективных строительных материалов и изделий на их основе при нормальных температур но -в лаж н о ст ных условиях и г ер м ов лаж н о ст но й обработке, характерных для производства материалов и изделий на основе цементных связующих.

2. Установлены закономерности структурообразования вяжущих на бое стекла и строительных материалов на их основе. С помощью физико-химических методов идентифицирован качественный состав продуктов взаимодействия в тройной системе, «стекло - алюм о силикатная добавка - щелочь», получены зависимости изменения прочности и других свойств композитов на уровне микро- и макроструктуры от основных структурообразующих факторов: крупности стеклопорошкаи корректирующих добавок, степени наполнения.

3. Разработаны предложения и методы оптимизации структуры и составов композитов на бое стекла по показателям прочности и долговечности. Лучшие результаты у вяжущих достигаются при следующем содержании алю-мосиликатных добавок: глины - 20-30 мас.ч.; кирпичной пыли -20 мас.ч.; керамзитовой пыли - 20-30 мае, ч. на 85 мае, ч. порошка стекла, у растворов и мелкозернистых бетонов в случае использования г л и н о с о д ер ж ащ их песков и у бетонов с заполнителями из керамзита, известняка и боя стекла.

4. Исследованы основные физико-технические свойства вяжущих материалов на бое стекла и композитов на их основе. Показаны зависимости прочности, деформативности и долговечности композитов от температуры отверждения, природы и свойств компонентов, образующих материал. Получены бетоны плотной структуры с прочностью 35 МПа, ячеистые материалы плотностью 500 кг/м"1 и прочностью на сжатие 0,5 МПа.

5. Установлена повышенная по сравнению с цементными бетонами долговечность стекло щелочных бетонов в кислотосодержащ их и биологических средах. Разработаны и оптимизированы химически стойкие составы композитов на основе боя стекла в средах воды, водных растворов щелочей, кислот и нефтепродуктах.

Предложены добавки, способствующие повышению физико-механических свойств и долговечности композитов на основе вяжущего из стеклобоя. Выявлено, что добавки шестиводного хлористого алюминия, эпоксидной смолы увеличивают водостойкость на 20-25 %. Показано повышение стойкости в кислотах при использовании в качестве минеральной добавки керамзитового порошка. Существенное повышение стойкости в щелочах достигается за счет введения бинарной добавки, представленной смесью порошков керамзита и известняка, взятых в соотношении 1:1.

Получены количественные зависимости изменения массосодержания и прочности связующих на основе боя стекла в модельной среде метаболитов микроскопических грибов. Показана высокая фунгицидная активность ацетона, увеличивающего зону ингибирования роста грибов до 12 мм. Разработана рациональная технология получения вяжущих веществ на бое стекла и строительных материалов и изделий на их основе. Установлены оптимальные варианты совмещения компонентов при получении строительных растворов, тяжелых бетонов, керамзитобетонов, пено- и газобетонов. Разработаны способы снижения расхода щелочи при получении композитов. Показана эффективность использования электроактивированной воды и щелочных отходов.

Разработанные технология и составы вяжущих веществ и композитов на их основе использованы при выпуске опытно-промышленных партий изделий с применением тяжелых и легких заполнителей, а также газобетонных пиленых камней на АО «ЖБК-1» в г. Саранске. Разработанные автором материалы экспонировались на различных выставках и удостоены золотой медали Всероссийского выставочного центра.

1. A.c. 693666 СССР. Сырьевая смесь для приготовления высокоогнеупорного бетона / А. П. Меркин, Ю. П. Горлов, Б. У. Седунов и др. // Открытия.Изобретения. 1978. - №18.

2. A.c. 903360 СССР, МКИ3 В 28 В 11/04. Способ изготовления бетонных изделий /В. Д. Глуховский, В. И. Гоц, В. Н. Еокшарев, Г. В. Румына (СССР) //Открытия. Изобретения.-1982.- № 5.

3. A.c. № 1030336. Минеральный клей / З.В. Серкова, М.И. Стрелков, И. А. Ляхович, И. Г. Черкасский /У Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки.- 1983.-№ 27.

4. A.c. Ш 1184835. Пенообразователь для поризации бетонных смесей / В.Ф. Коровяков, Е.И. Андреев, В.В. Губин и др. /7 KT Б Мосоргстройматериалы и МИСИ.

5. Айлер К. Химия кремнезема: / Пер. с англ.-М.:Мир, 1982.-421 с.

6. Анацкий Ф.И. Исследование кинетики и механизма взаимодействия активного кремнезема с едкими щелочами и гидроокисью кальция в системе Na20(K2Q)-Ca0-Si02-H20 и частных системах при температурах до 100 иС: Автореф. дис.канд. хим. наук. Киев, 1972,- 20 с.

7. Андрею к Е.И., Б и лай В.И., Коваль Э.З., Козлова H.A. Микробная коррозия и ее возбудители Киев: Наук, думка, 1980.- 287 с.

8. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона.-М.: Стройиздат, 1981.-464 с.

9. Ахметов И.С., Мирюк O.A. Свойства портландцементных клинкеров из техногенного сырья // Стр-во и архитектура,- 1992,- №3,- с.66-69.

10. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии: Учеб. пособие для студ. хим.- технол. вузов.-М.: Высш. шк, 1978.-319 с.

11. Бабушкин В.И. Термодинамика силикатов,- М.: Стройиздат, 1986.-408 с.12