автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Безавтоклавные силикатные материалы с использованием природного нанодисперсного сырья

ЗА

На правах рукописи

Володченко Александр Анатольевич

БЕЗАВТОКЛАВНЫЕ СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИРОДНОГО НАНОДИСПЕРСНОГО СЫРЬЯ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 АВГ 2013

005532322

Белгород 2013

005532322

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Лесовик Валерий Станиславович

Официальные оппоненты - Урханова Лариса Алексеевна

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный технологический университет», зав. кафедрой ПСМИ

- Кафтаева Маргарита Владиславовна

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», зав. кафедрой ГСХ

Ведущая организация - Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Брянская государственная инженерно-технологическая академия»

Защита состоится « 20 » сентября 2013 года в 11°° час. на заседании диссертационного совета Д. 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, ауд. 242 г.к.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Автореферат разослан « 16 » августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета д-р техн. наук, профессор

Г.А. Смоляго

Актуальность. Одним из основных направлений развития науки в настоящее время является энергосбережение, рациональное природопользование, разработки инновационных технологий производства зеленых композитов, Что особенно актуально для строительного материаловедения.

Энергоемкость производства наиболее распространенных в России стеновых материалов - керамического и силикатного кирпича и камней, керамзитовых бетонных блоков и т. д. существенно выше зарубежных европейских и американских аналогов.

Актуальной задачей является снижение энергоемкости производства строительных; материалов за счет использования нетрадиционного в т.ч. техногенНого'сырья, породообразующими минералами которых являются термодинамически неустойчивые соединения.

Для реализаций этой задачи необходимо исследование процессов струк'турообразовйния: при синтезе композиционных материалов с использованием термодинамически неустойчивых минералов глинистых пород в гидротермальных условиях при атмосферном давлении.

Внедрений -данной'инвестиционно привлекательной для предприятий малого и среднего бизнеса технологии позволит получить высококачественные стеновые' материалы безавтоклавного твердения, существенно снизить энергоемкость производства, улучшить эстетичность зданий и сооружений и повысить конкурентоспособность стройиндустрии, что особенно актуально после вхождения России в ВТО.

Диссертационная работа выполнена в рамках Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 годы.

Цель и задачи работы. Снижение энергоемкости производства стеновых силикатных; материалов за счет использования термодинамически неустойчивого сырья.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- исследование' . процессов структурообразования системы «СаО-глинистые фазы незавершенной стадии минералообразования-Н20» в гидротермальных условиях;

- изучение состава и морфологии новообразований и их влияние на эксплуатационные характеристики стеновых материалов;

- разработка технологии производства безавтоклавных стеновых материалов с использованием термодинамически неустойчивых глинистых пород;

- разработка нормативно-технической документации и внедрение результатов исследований.

Научная новизна.

Установлено, что изучаемые породы за счет содержащихся в них ме-тастабильных Глинистых минералов, рентгеноамофной фазы и тонкодис-

персного кварца активно взаимодействуют с известью и продуктами гидратации портландцемента при гидротермальной обработке при температуре 90-95 °С с образованием слабоокристаллизованных гидросиликатов кальция и гидрогранатов, что приводит к возникновению прочной кристаллизационной структуры материала, обеспечивающей высокие физико-механические показатели изделий.

Установлен механизм взаимодействия породообразующих минералов песчано-глинистых нанодисперсных пород с гидроксидом кальция в условиях гидротермальной обработки без давления, заключающийся в возникновении первоначально промежуточных соединений в виде глобул, представляющих собой аморфные гидроалюминаты и гидросиликаты кальция, и последующим формировании на их основе цементирующих соединений из слабоокристаллизованных гидросиликатов кальция, в том числе алюмозамещенных и гидрогранатов.

Показано, что в процессе эксплуатации синтезированные стеновые материалы на основе природного нанодисперсного сырья набирают прочность за счет процессов дальнейшего образования и перекристаллизации гидросиликатов кальция. При этом оптимизируется соотношение между гелевидными и кристаллическими компонентами и уплотняется структура цементирующего соединения, что приводит к увеличению прочности в 1,5-2 раза.

Практическое значение работы. Доказана возможность применения отложений незавершенной стадии глинообразования для получения безавтоклавных силикатных материалов. На основе полученных данных можно проводить оценку сырьевых ресурсов месторождений подобного сырья в различных регионах.

Разработана технология производства высокоэффективных безавтоклавных силикатных материалов с использованием песчано-глинистых пород, извести и цемента, позволяющие получать водостойкие изделия с пределом прочности при сжатии до 32 МПа. Морозостойкость составляет 15—25 циклов. Окраска изделий соответствует цвету исходной песчано-глинистой породы.

Предложены математические модели, которые позволяют оптимизировать технологические параметры получения безавтоклавных силикатных материалов с заданными физико-механическими показателями.

Себестоимость производства снижается на 30-35 % в результате уменьшения энергозатрат за счет замены автоклавной обработки на гидротермальный синтез при атмосферном давлении, использования более дешевого и доступного сырья при получении высокопустотных изделий.

Внедрение результатов исследований. Теоретические положения, полученные в данной работе, апробированы в промышленных условиях на ООО «Экостройматериалы» (г. Белгород). Подписан ряд протоколов о намерениях с организациями Белгородской, Орловской и др. областей о промышленном внедрении диссертационной работы.

Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы разработаны следующие нормативные документы:

- стандарт организации СТО 02066339-011-2012 «Силикатные камни гидротермального твердения с использованием энергосберегающего сырья»;

- стандарт организации СТО 02066339-012-2012 «Стеновые блоки гидротермального твердения с использованием энергосберегающего сырья»;

- рекомендации по изготовлению стеновых блоков гидротермального твердения с использованием энергосберегающего сырья;

- рекомендации по изготовлению силикатного камня гидротермального твердения с использованием энергосберегающего сырья.

Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106, 270114, студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по направлению «Строительство».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на Международном студенческом форуме (Белгород, 2006); Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов вузов «Эврика» (Новочеркасск, 2008); Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (Белгород, 2007); VII Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2007 (Москва, 2007); XVIII Менделеевской конференции молодых ученых (Белгород, 2008); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2008); Международной конференции с элементами научной школы для молодежи (Якутск, 2009); 2-й Международной научно-практической конференции (Брянск, 2010); Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, МГСУ, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (Белгород, 2011); VIII Международной научно-практической конференции «Научное пространство Европы - 2012» (Przemysl, (Польша), 2012); Международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2012» (Одесса, 2012); XVI и XVII Международной заочной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2012 и 2013).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 19 научных публикациях, в том числе в четырех статьях в журналах по списку ВАК РФ, монографии, получен патент РФ.

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности получения безавтоклавных силикатных материалов на основе песчано-глинистых пород незавершенной стадии глинообразования;

- результаты экспериментальных исследований влияния песчано-глинистого пород на синтез и механизм формирования цементирующих соединений в условиях гидротермальной обработки без давления;

- технология производства высокопустотных песчано-глино-известковых камней и блоков;

- результаты внедрения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 198 страницах машинописного текста, включающего 45 таблиц, 49 рисунков и фотографий, списка литературы из 157 наименований, 8 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время на первый план выходят задачи разработки и внедрения энергосберегающих технологий производства строительных материалов, что соответствует современным тенденциям развития «зеленых» технологий, которые позволяют сохранить окружающую среду и обеспечить комфортные условия для жизни человека. Снижение расхода топлива ведет к сокращению выбросов в атмосферу парниковых газов и уменьшает уровень загрязнений вредными веществами, попадающих в почву, воду и воздух.

Решение этой задачи применительно к технологии получения силикатных материалов заключается в переходе от традиционного сырья, в качестве кремнеземистого компонента которого используется кварцевый песок, к получению композиционного вяжущего на основе алюмосили-катного сырья, способствующее синтезу цементирующих веществ с оптимальной микроструктурой. Для этих целей можно использовать глинистые породы незавершенной стадии глинообразования, которые широко распространены во многих регионах Российской федерации.

Спецификой состава этих пород является наличие термодинамически неустойчивых соединений, таких как смешаннослойные минералы, тонкодисперсный слабоокатанный кварц, гидрослюда, реже Са Монтмориллонит и каолинит, а также рентгеноаморфная фаза. В результате процессов коррозии, гидратации, выщелачивания и гидролиза, исходные материнские породы разрушались, за счет их минералов образовались алюмосиликаты, характеризующиеся переменным химическим составом и несовершенной структурой кристаллической решетки и

кварц с дефектностью кристаллической решетки, поверхность которого в различной степени корродированна.

Учитывая, что природные процессы выполнили часть работы по дезинтеграции породы, вероятно, возможен процесс взаимодействия породообразующих минералов с вяжущим компонентом в условиях гидротермальной обработки и при атмосферном давлении, что явилось рабочей гипотезой данных исследований.

Исследование состава сырья и силикатных стеновых материалов включало определение химического состава, общего минерального состава методами дифференциально-термического и рентгенофазового анализа. Для проведения растровой электронной микроскопии (РЭМ) использовали микроскопы LEO SUPRA 50VP и MIRA 3 LM. Гранулометрический состав материалов определяли методом лазерной гранулометрии на установке MicroSizer 201. Удельную поверхность сырьевых и вяжущих материалов определяли методом газопроницаемости на приборе ПСХ-2. Физико-механические характеристики сырьевых и силикатных материалов определяли по стандартным методикам.

На территории Курской магнитной аномалии (КМА) наиболее распространенными являются эолово-элювиально-делювиальные глинистые породы четвертичного возраста, запасы которых только по Белгородской области составляют сотни млн. т. Значительная доля этих пород не соответствует нормативным требованиям к сырью для производства цемента и керамических материалов, но в силу своего вещественного состава может быть использована для получения силикатных материалов. Поэтому эти породы были выбраны в качестве объекта изучения.

Для исследований были использованы наиболее представительные песчано-глинистые породы, отличающиеся по составу и свойствам (таблица 1). Количество пелитовой фракции в суглинках достигает 51,05 мае. %. Для супеси этот показатель составляет 22,63 мае. %. По размеру преобладают алевритовые и пелйтовые частички. Химический состав показывает, что породы имеют высокое содержание кремнезема и относятся к категории кислых (таблица 2).

Порода Содержание фракций, мае. %, размер сит, мм

более 0,1 0,10,05 0,050,04 0,040,01 0,010,005 менее 0,005

Супесь 15,7 12,90 5,82 42,95 5,70 16,93

Суглинок № 1 0,55 20,72 18.58 21,15 7,49 31,51

Суглинок № 2 0,2 9,33 9,56 29,86 9,35 41,70

Таблица 2 - Химический состав песчано-глинистых пород

Порода БЮг общ. віОг своб. А120з ТЮ2 Ре203 СаО MgO к2о Ыа20 п.п.п. Сумма

Супесь 82,87 61,78 6,70 0,42 2,63 1,77 1,03 1,26 1.10 2,05 99,83

Суглинок № 1 73,0 38,05 10,4 0,72 3,60 2,32 1,32 1,86 1,29 3,95 98,46

Суглинок № 2 65,1 35,12 12,5 0,77 4,36 3,21 1,64 1,93 1,74 5,76 97,01

Нанодисперсные породы представлены смешаннослойными образованиями, рентгеноаморфной фазой, а также в небольших количествах присутствует гидрослюда, Са2+монтмориллонит и каолинит (рисунок 1 и 2).

а б

Рисунок 1 - Термограммы (а) и рентгенограммы (б) песчано-глинистых пород: 1 - супесь; 2 - суглинок № 1; 3 - суглинок № 2

Рисунок 2 - Микроструктура песчано-глинистых пород, РЭМ, ><50000: а-супесь; б-суглинок №2

Полиминеральный состав изучаемых песчано-глинистых пород, являющиеся природным нанодисперсным сырьем и их термодинамическая неустойчивость определяет возможность взаимодействия с известью с

образованием цементирующих соединений при гидротермальной обработке без давления и, соответственно, получения стеновых силикатных материалов с низкими энергозатратами.

Производство безавтоклавных силикатных материалов на основе песчано-глинистых пород подразумевает необходимость подбора состава сырьевой смеси для получения необходимых физико-механических показателей изделий. Разработка рациональных составов силикатных материалов проводилась для изделий литьевого способа формования и полусухого прессования

Сырьевые смеси на основе песчано-глинистых пород обеспечивают повышение прочности сырца в 4-11 раз, что позволит формовать высокопустотные изделия со средней плотностью 1150-1300 кг/м3.

Оптимальное содержание извести для образцов литьевого способа формования для всех изучаемых пород составляет 10-15 мае. % (рисунок 3). Образцы этих составов являются водостойкими. Максимальное повышение прочности обеспечивает суглинок № 2.

Предел прочности при сжатии образцов полусухого способа прессования в 4-5 раз выше литьевого способа формования (см. рисунок 3). Сравнение изменения прочностных показателей показывает, что максимальной прочности, почти во всех случаях, образцы достигают при содержании извести около 10 мае. %.

Исходя из данных дифференциаль-но-терми-ческого и рентгенофазового анализов цементирующие соединения полученных образцов представлены слабо-окристаллизованны-ми низкоосновными гидросиликатами кальция и гидрогранатами (рисунок 4). Возможно также образование водного основного карбоси-ликата кальция.

0 5 10 15 20

Содержание извести, мае. %

Рисунок 3 - Предел прочности при сжатии в зависимости от содержания извести: —- образцы литьевого способа формования; о—о - образцы полусухого формования (давление прессования 10 МПа); 1 - супесь; 2 - суглинок № 1; 3 - суглинок № 2

20 200 400 600 800 1000

Температура, °С

Рисунок 4 - Термограммы (а), рентгенограммы (б) образцов с содержанием извести 10 мае. %: 1 - супесь; 2 - суглинок № 2

На физико-механические свойства силикатных материалов существенное влияние оказывает давление прессования, при котором формуется сырец. С повышением давления прессования с 10 до 50 МПа прочность изделий (содержание СаО 10 мае. %) возрастает с 17 МПа до 32 МПа, однако наибольший прирост прочности (на 67 %) происходит при увеличении давления прессования с 10 до 30 МПа.

Одним из важнейших эксплуатационных свойств стеновых материалов является атмосферостойкость. Исследования проведены на образцах, сформованных при давлении прессования 20 МПа, которое используется в традиционной технологии производства силикатного кирпича.

Оптимальное содержание извести составляет 10 мае. %. Предел прочности при сжатии увеличивается до 22,6 МПа (таблица 3, рисунок 5).

Таблица 3 - Свойства образцов на основе супеси

Физико-механические характеристики Содержание извести, мае. %

5 8 10 12 15

Предел прочности при сжатии, МПа 17,8 18,6 22,6 16,9 16,7

Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов, МПа 14,0 14,4 18,4 16,9 15,7

Предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов после года хранения в воде, МПа 22,1 25,2 28,1 34,7 29,5

Коэффициент размягчения 0,79 0,78 0,81 1.00 0,94

Средняя плотность, кг/м1 1880 1855 1850 1815 1755

Водопоглощение, % 13,03 13,20 13,85 14,26 16,76

Коэффициент размягчения (0,78-1,00) свидетельствует о высокой водостойкости полученного материала.

Часть образцов каждого состава выдержали 1 год в водопроводной воде. Образцы испытали на предел прочности при сжатии в водонасы-щенном состоянии. Было отмечено значительное повышение прочности в

сравнении с образцами, которые не подвергались длительному хранению в воде (см. рисунок 5, кривая 2 и 3). При содержании извести 12 мае. % предел прочности при сжатии об-разцов после года выдерж-ки в воде увеличилась в два раза. Это связано с тем, что породообразующие минералы породы и, в частности, ее наноразмерная составляющая обеспечивают синтез цементирующего соединения, обладающего гидравлическими свойствами.

О 5 10 15

Содержание извести, иас. % Рисунок 5 - Предел прочности при сжатии образцов

в зависимости от содержания извести: 1 - образцы после 2-х сут выдержки при комнатной температуре; 2 - водонасыщенные образцы; 3 - водона-сыщенные образцы после года хранения в воде

В микроструктуре образца, содержащего 10 мае. % извести, наблюдается скопление глобул размером до 0,5 мкм, которые связаны сеткой новообразований из слабоокристаллизованных низкоосновных гидросиликатов кальция (рисунок 6). Химический состав глобул, отмеченных на рисунке 6, а, был исследован методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. По данным эмиссионных спектров проведен расчет элементного состава глобул (таблица 4).

а б

Рисунок 6 - Микроструктура образца на основе супеси

с содержанием 10 мае. % извести, РЭМ: а - исходный образец; б - после года хранения в воде

Таблица 4 — Химический состав глобул

Элементы / (оксиды) Название эталона Содержание, мае. %

Спектр 1 Спектр 2 Спектр 3

Элементы Оксиды Элементы Оксиды Элементы Оксиды

о 5Ю2 33,57 44,42 39,41

М§/(МёО) м§о 1,02 0,93 0,33 0,60 — _

А1 / (А1203) АЬОз 10,92 18,84 7,37 15,33 7,76 13,71

/ (8Ю2) ЭЮз 14,50 28,41 12,44 29,35 24,63 49,36

Са/ (СаО) \Vollastonite 40,00 51,20 31,78 48,10 28,20 36,92

Ре/^егО,) Ре - - 3,65 5,74 - -

Основными элементами, входящими в состав глобул, являются, мае. %: О - 33,57^14,42; Са- 28,2^0; Б* - 12,44-24,63; А1 - 7,37-10,92. В незначительных количествах содержится и Ре. Указанные элементы также являются основными составляющими, входящими в структуру глинистых минералов. Отсюда следует, что глобулы образуются преимущественно за счет взаимодействия извести с глинистыми минералами, рентгеноа-морфным веществом и представляют собой промежуточные соединения из аморфных алюминатов и гидросиликатов кальция.

Микроструктура образца после года хранения в воде существенно отличается от исходного образца (см. рисунок 6, б). Глобулы практически отсутствуют. В тоже время увеличивается количество слабоокристал-лизованных гидросиликатов кальция, которые, образуя сплошную сетку, покрывают поверхность заполнителя и цементируют между собой его зерна. Следовательно, глобулы проявляют термодинамическую неустойчивость, и формирование слабоокристаллизованных гидросиликатов кальция на их основе продолжается и после гидротермальной обработки изделий. Кроме этого слабоокристаллизованные гидросиликаты кальция представляют собой нестабильную фазу, способную во времени, и особенно в водной среде, подвергаться перекристаллизации, что также приводит к изменению структуры цементирующего соединения. Вероятно, эти процессы обеспечивают гидравлические свойства полученных силикатных материалов. Указанный выше процесс может продолжаться не только в воде, но и в обычных условиях.

С целью интенсификации синтеза новообразований часть песчано-глинистой породы подвергали совместному помолу с известью. Сырьевую смесь готовили путем смешивания полученного известково-песчано-глинистого вяжущего (ИПГВ) с исходной породой. В проведенных экспериментах использовали супесь. Соотношение известьхупесь в вяжущем составляло 1:1, 1:1,5, 1:2 и 1:2,5 при общем содержание извести в сырьевой смеси 10 мае. %.

Увеличение в вяжущем доли супеси лишь незначительно повышает прочность образцов (рисунок 7), которая достигает 20,2 МПа. Необхо-

димо отметить, что прочность образцов, для которых в качестве вяжущего использовалась только молотая известь, составляет 22,6 МПа (см. рисунок 5). Отсюда следует, что использование в качестве вяжущего ИПГВ вместо молотой извести не приводит к повышению прочности материала, а даже несколько снижает ее. После помола супеси в сырьевой смеси увеличивается содержание тонкодисперсного кварца, за счет которого синтезируется больше слабокристаллизованных гидросиликатов кальция, т.е. увеличивается доля гелевидных новообразований. При этом вероятно, нарушается оптимальное соотношение между гелевидной и кристаллической составляющей, что и приводит к снижению прочности. Морозостойкость полученных образцов стеновых материалов составляет более 15 циклов.

После испытания на попеременное увлажнение-высушивание прочность образцов существенно возросла (см. рисунок 7). Это связано с гидравлическими свойствами полученного материала. Очевидно, при нахождении образцов в воде, продолжающийся процесс формирования новообразований и их перекристаллизация оказывает большее влияние на повышение прочности материала, чем разрушающее действие при попеременном увлажнении и высушивании.

С практической точки зрения важным является вопрос о влиянии давления гидротермальной обработки на физико-механические свойства стеновых материалов на изучаемом сырье. Эксперименты, проведенные на основе супеси с использованием в качестве вяжущего ИПГВ при соотношении известьхупесь равном 1:2, показали, что снижения давления гидротермальной обработки приводит к уменьшению прочности силикатных материалов (рисунок 8). Однако даже при снижении давления гидротермальной обработки до атмосферного прочность остается достаточно высокой и составляет 20 МПа для образцов, содержащих 10 мае. % СаО.

Выбор режима гидротермальной обработки должен обусловливаться исходя из требований, предъявляемых к физико-механическим свойствам силикатных материалов и затратам на их производство, т.е. экономическими факторами. Если на предприятии автоклавы выработали свой ре-

1:1,5 1:2 12,5

Соотношение известьхупесь в вяжуїием

Рисунок 7 - Предел прочности при сжатии образцов на основе ИПГВ в зависимости от состава вяжущего: 1 - после гидротермальной обработки; 2 - водонасы-щенные; 3 - после 100 циклов попеременного увлажнения и высушивания; 4 - после 100 циклов попеременного увлажнения и высушивания в водонасыщен-ном состоянии

Рисунок 8 - Зависимость предела прочности при сжатии силикатных изделий от содержания СаО и давления автоклавирования

сурс, можно в качестве сырья использовать песчано-гли-нистые породы и снизить давление автоклавирования или использовать гидротермальную обработку при атмосферном давлении, существенно продлив при этом срок эксплуатации автоклавов.

Содержание пелитовой фракции в глинистых породах может колебаться в широких пределах, что, вероятно, будет оказывать влияние на синтез цементирующих соединений. Отсюда актуальной задачей является определение рационального содержания пелитовой фракции в исходном сырье, обеспечивающее оптимальное структурообразование и получение изделий с высокими физико-механическими показателями. р % Исследования проводи-

лись с использованием супеси и негашеной извести. Пелито-вую фракцию получали путем отмучивания супеси. В пелитовой фракции содержатся преимущественно частицы размером 0,7-10 мкм (рисунок 9).

Максимальной прочности (22 МПа) достигают образцы, содержащие 10 мае. % извести и 20 мае. % пелитовой фракции (рисунок 10). При увеличении содержания пелитовой фракции до 30 мае. % прочность практически не изменяется. Средняя плотность с увеличением содержания извести уменьшается, причем тем сильнее, чем выше содержание пелитовой фракции. Образцы всех исследуемых составов являются водостойкими. Следовательно, содержание пелитовой фракции в песчано-глинистой породе может составлять 20-30 мае. %. Такой состав песчано-глинистой породы обеспечивает в условиях гидротермальной обработки без давления формирование прочной микроструктуры цементирующего соединения.

Рисунок 9 - Распределение частиц по размерам: 1 - исходная песчано-глинистая порода; 2 - пелитовая фракция

Рисунок 10 - Зависимость физико-механических свойств силикатных изделий от содержания СаО и пелитовой фракции: а - предела прочности при сжатии; 6 - средней плотности; в - коэффициента размягчения

Для оптимизации процесса структурообразования и создания более высокоорганизованной структуры на макро-, микро- и наноуровне предложены составы с использованием комплексного вяжущего из извести и портландцемента, позволяющие получать силикатные материалы более высокой прочности и морозостойкости (рисунок 11). Содержание извести в сырьевой смеси составляло 5 мае. %.

Предел прочности при сжатии образцов полусухого прессования повышается при введении портландцемента, причем, характер повышения прочности для обоих видов глинистых пород практически

40

30

20

С 10

о

2_—

5 10 15

Содержание цемента, мае. % Рисунок 11 - Предел прочности при сжатии образцов с 5 мае. % извести в зависимости от содержания портландцемента: 1 - супесь; 2 - суглинок № 2

одинаковый и составляет 26,4-29,2 МПа. Морозостойкость образцов составляет 25 циклов.

Состав цементирующих соединений в образцах представлен низкоосновными гидросиликатами кальция тоберморитового типа и гидрогранатами (рисунок 12).

щ .......- ... . ...........................- •- \...... • • 1 1

На Е»|ф ?» ишсл' з * ? я * • " 1 ? " Д II «I |»Я» ?|8 Ц

Рисунок 12 - Рентгенограмма образца на основе супеси и комплексного вяжущего

Гидросиликаты кальция образуются не только в результате реакции гидроксида кальция с породообразующими минералами породы, но и в результате гидратации клинкерных минералов цемента. Причем, при гидратации клинкерных минералов образуются гидросиликаты более высокой степени кристаллизации, чем при взаимодействии извести и глинистых минералов.

Таким образом, использование комплексного вяжущего на основе цемента и извести формирует более благоприятное соотношение между гелевидными и хорошо окристаллизованными новообразованиями, оптимизирует состав цементирующего соединения, что позволяет получать силикатные материалы более высокой прочности.

Предложена технология изготовления песчано-глино-известковых камней и блоков (рисунок 13). Технология включают следующие операции: приготовление известково-песчано-глинистого вяжущего, смешение вяжущего с кремнеземистым заполнителем (песчано-глинистая порода) и водой, гашение смеси, формование и пропарку. Предлагается использовать в качестве оборудования для гашения песчано-глино-известковой массы широкий ленточный транспортер, накрытый кожухом, так как использование силоса может привести к слеживанию мелкодисперсной массы.

Таким образом, на основе нанодисперсных песчано-глинистых пород незавершенной стадии глинообразования можно получать водостойкие и атмосферостойкие безавтоклавные стеновые материалы с пределом прочности при сжатии до 32 МПа, морозостойкостью до 25 циклов.

Рисунок 13 -Технологическая схема производства песчано-глино-известковых камней: 1- автотранспорт; 2 - склад глинистой породы; 3 - валковая дробилка; 4 - ленточный транспортер; 5 - элеватор; 6 - бункерный склад породы; 7 - бункерный склад извести; 8 -расходный бункер породы; 9- расходный бункер извести; 10- весовой дозатор; 11 - шаровая мельница; 12 - пневмокамерный насос; 13 - трубопровод; 14 - расходный бункер ИПГВ; 15 - бак с водой; 16 - смеситель; 17 - широкий транспортер с кожухом; 18 -стержневой смеситель; 19 - бункер смеси; 20 - питатель; 21 - пресс; 22 - автомат-укладчик; 23 - вагонетка; 24 - щелевая пропарочная камера; 25 - пост чистки и смазки вагонеток; 26 - склад готовой продукции

Исследуемые песчано-глинистые породы обладают коричневым цветом. Силикатные материалы, получаемые на основе этих пород, приобретают светло-коричневую и коричневую окраску, которая практически не изменяется от времени гидротермальной обработки. Кроме этого в условиях гидротермальной обработки без давления, в отличие от автоклавной обработки, снижается отрицательное воздействие температуры на пигменты, находящиеся в песчано-глинистой породе. Таким образом, реализация представленной технологии позволяет получать стеновые материалы с устойчивой окраской, которая позволит улучшить архитектурный облик городов России.

Для внедрения результатов диссертационной работы при производстве безавтоклавных силикатных материалов разработан пакет нормативных документов.

Использование в конструкциях зданий и сооружений высокопустотных песчано-глино-известковых каменей вместо обычного силикатного кирпича позволит получить экономию материальных затрат на 30-35 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложены принципы повышения эффективности производства стеновых материалов за счет использования песчано-глинистых пород незавершенной стадии глинообразования и промышленных отходов в условиях гидротермальной обработки при атмосферном давлении. Установлено, что эолово-элювиально-делювиальные глинистые породы четвертичного возраста являются продуктами начальной стадии глинообразования, которые состоят из метастабильных минералов несовершенной структуры наноразмерного уровня и неокатанного тонкодисперсного кварца и пригодны в качестве сырья для получения безавтоклавных силикатных стеновых материалов.

2. Доказана возможность синтеза новообразований в системе песча-но-глинистые породы-гидроксид кальция-вода без традиционной автоклавной обработки. Изучаемое сырье за счет содержащихся в них метастабильных глинистых минералов наноразмерного уровня, рентгено-аморфного вещества и тонкодисперсного кварца активно взаимодействует с известью в условиях гидротермальной обработки при температуре 90-95 °С, что приводит к возникновению прочной коагуляционно-кристал-лизационной и кристаллизационной структуры материала, обеспечивающей высокие физико-механические показатели силикатных изделий.

3. Установлен механизм структурообразования в известково-песчано-глинистой смеси в условиях гидротермальной обработки при атмосферном давлении. Первоначально при взаимодействии глинистых минералов и рентгеноаморфного вещества с известью образуются промежуточные соединения в виде глобул, представляющих собой аморфные гидроалюминаты и гидросиликаты кальция. Далее на их основе формируется новообразования, состоящие из слабоокристаллизованных гидросиликатов кальция, а также алюмозамещенных гидросиликатов кальция и гидрогранатов.

4. Установлено, что рациональное содержание извести для всех изучаемых глинистых пород составляет 10 мае. %, причем эта величина не зависит от способа формования образцов — литьевого или полусухого прессования.

5. Цементирующие соединения безавтоклавных силикатных материалов на основе песчано-глинистых пород обладают гидравлическими свойствами, которые обусловлены процессом дальнейшего образования и перекристаллизации гидросиликатов кальция, за счет чего оптимизируется соотношение между гелевидными и кристаллическими компонентами

и уплотняется структура цементирующего соединения, что ведет к повышению эксплуатационных характеристик.

6. Использование песчано-глинистых пород вместо традиционного кварцевого песка в производстве силикатных материалов улучшает процесс формования сырьевой смеси, повышает прочность сырца в 4-11 раз, что позволило разработать технологию производство высокопустотных изделий.

7. Показано, что физико-механические свойства безавтоклавных силикатных материалов на основе песчано-глинистых пород существенно зависят от содержания пелитовой фракции, в состав которой входят глинистые минералы и рентгеноаморфное вещество. Содержание пелитовой фракции в песчано-глинистой породе должно составлять 20-30 мае. %.

8. Разработаны составы сырьевых смесей для получения безавтоклавных стеновых материалов с прочностью при сжатии до 32 МПа. Морозостойкость составляет 15-25 циклов. Получаемые изделия имеют светло-коричневый и коричневый цвет. Кроме этого в условиях гидротермальной обработки при атмосферном давлении снижается отрицательное воздействие на пигменты, находящиеся в исходной породе, в сравнение с автоклавной обработкой.

9. Разработана энергосберегающая технология изготовления эффективных, окрашенных высокопустотных стеновых материалов нового поколения, использование которых улучшит архитектурный облик городов России. За счет замены традиционного сырья, сокращение энергии на помол сырья и гидротермальную обработку позволит получить годовую экономию материальных затрат при выпуске 1 млн. шт. условного кирпича 1680 тыс. руб., для высокопустотных камней -2084 тыс. руб., что составляет экономию 30-35 %.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Володченко, А. А. Литьевые цементно-известково-глинистые блоки / А. А. Володченко, Д. В. Юрчук // Образование, наука, производство. Программа. Тез. докл. III Междунар. студ. форума; Белгород, 20-22 сентября 2006 г. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В. Г. Шухова, 2006. - С. 12.

2. Володченко, А. А, Стеновые строительные материалы на основе глинистых пород / А. А. Володченко // Научные исследования, наноси-стемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии: сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф., 18-19 сент. 2007 г. / Белгор. гос. технол. ун-т. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. - Ч. 1. - С. 136139.

3. Володченко, А. А. Наносистемы для повышения эффективности безавтоклавных стеновых силикатных материалов / А. А. Володченко // Мат-лы докл. XV Междунар. конф. студентов, аспирантов и молодых

ученых «Ломоносов», 8-11 апреля 2008 г., секция «Фундаментальное материаловедение» / Отв. ред. И. А. Алешковский, П. Н. Костылев, А. И. Андреев. [Электронный ресурс] - М.: Издательство МГУ; СП МЫСЛЬ, 2008.

4. Володченко, А. А. Стеновые строительные материалы на основе песчано-глинистых отходов горнодобывающей промышленности / А. А. Володченко // Тез. докл. XVIII Менделеевской конф. молодых ученых, 22-26 апреля 2008 г., секция «Технология неорганических материалов». - Белгород: Изд-во БГТУ им. В. Г. Шухова, 2008. - С. 102-103.

5. Володченко, А. А. Природные материалы наноразмерного уровня как сырье для получения стеновых силикатных материалов / A.A. Володченко / «Эврика-2008»: сб. конкурсных работ Всерос. смотра-конкурса науч.-техн. творчества студентов высших учебных заведений, 17-23 ноября 2008 г. / Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). - Новочеркасск: Изд-во ООО «Лик», 2008. - С. 168-170.

6. Володченко, А. А. Структурообразование в силикатных материалах гидротермального твердения на основе природного наноразмерного сырья / А. А. Володченко / Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях : сб. тр. Междунар. конф. с элементами науч. школы для молодежи, 16-19 ноября 2009 г. - Якутск: Паблиш Групп, 2009.-С. 60-63.

7. Лесовик, В. С. Влияние наноразмерного сырья на процессы струк-турообразования в силикатных системах / В. С. Лесовик, В. В. Строкова, А. А. Володченко // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2010. - № 1. -С. 13-17.

8. Лесовик, B.C. Наноразмерное сырье для производства безавтоклавных силикатных материалов / В. С. Лесовик, А. А. Володченко // Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах: материалы 2-й междунар. науч.-практ. конф. (30 ноября 2011 г., г. Брянск) в 3-х томах. Т. 1 / Брян. гос. инженер.-технол. акад. и др.; под ред. А. В. Городкова, И. А. Кузовлевой, Н. П. Лукутцо-вой, М. А. Сенющенкова, B.C. Янченко. - Брянск, 2010. - С. 176-180.

9. Лесовик, В. С. Долговечность безавтоклавных силикатных материалов на основе природного наноразмерного сырья / В. С. Лесовик,

A. А. Володченко // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2011. - № 2. - С. 6-11.

10. Володченко, А. А. Безавтоклавные силикатные материалы с использованием природного наноразмерного сырья / А. А. Володченко,

B. С. Лесовик // Инновационные материалы и технологии (XX научные чтения): сб. докл. Международ, науч.-практ. конф., Белгород, 11-12 октября 2011 г./ Белгор. гос. технол. ун-т. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011, -Ч. 4. - С. 44-49.

11. Лесовик, В. С. К вопросу повышения долговечности безавтоклавных силикатных материалов / В. С. Лесовик, А. А. Володченко // Интег-

рация, партнерство и инновации в строительной науке и образовании: сб. тр. Международ, научн. конф. (Москва, 19-21 октября 2011 г.); в 2 т. Т. 2. / М-во образования и науки Росс. Федерации, ФГБОУ ВПО «Моск. гос. строит, ун-т». М.: МГСУ, 2011.-С. 217-221.

12. Лесовик, В. С. Формирование микроструктуры безавтоклавных силикатных материалов на основе глинистых пород / В. С. Лесовик,

A. А. Володченко // «Naukowa przestrzeñ Europy - 2012»: materialy VIII Mi^dzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji (07-15 kwietnia 2012); Vol. 36. Budownictwo i architektura. - Przemysl. Nauka i studia, 2012. - S. 4750.

13. Лесовик, В. С. Безавтоклавные силикатные материалы. Использование отходов горнодобывающей промышленности при производстве силикатных материалов: монография / В. С. Лесовик, А. А. Володченко. - Издатель: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG. Heinrich-Böcking-Str. 6-8, 66121 Saarbrücken, Germany. -2012. - 129 с.

14. Володченко, А. А. Долговечность безавтоклавных силикатных материалов на основе песчано-глинистых пород / А. А. Володченко // Технические науки — от теории к практике: мат-лы XVI Междунар. заочной науч.-практ. конф.; 12 декабря 2012 г.; [под ред. Я. А. Полонского]. — Новосибирск: Изд. «СибАК», 2012.-№ 16.-С. 36-41.

15. Лесовик, В. С. Безавтоклавные стеновые материалы на основе природного наноразмерного сырья / В. С. Лесовик, А. А. Володченко // Сборник научных трудов SWorld по материалам международной научно-практической конференции. - Одесса: КУПРИЕНКО, 2012. - Т. 47. -Вып. 4.-С. 36-40.

16. Лесовик, В. С. Влияние состава сырья на свойства безавтоклавных силикатных материалов / В. С. Лесовик, А. А. Володченко // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова.-2013.-№ 1. -С. 10-15.

17. Володченко, А. А. Свойства безавтоклавных стеновых материалов на основе песчано-глинистых пород / А. А. Володченко // Технические науки - от теории к практике: мат-лы XVII Междунар. заоч. науч.-практ. конф. Часть II; 23 января 2013 г. - Новосибирск: Изд. «СибАК», 2013. -№ 17.-С. 7-12.

18. Володченко, А. А. Влияние режима гидротермальной обработки на свойства силикатных материалов / А. А. Володченко // Фундаментальные исследования. - 2013. — № 6. - Ч. 6. - С. 1333-1337 .

19. Пат. 2439022 Российская Федерация, МПК7 С 04 В 28/18. Сырьевая смесь для получения силикатных изделий с использованием вскрышных пород горнодобывающей промышленности / Лесовик B.C., Строкова

B.В., Володченко A.A. ; заявитель и патентообладатель Белгород, гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова. - № 2010126567/03 ; заявл. 30.06.2010 ; опубл. 10. 01.2012, Бюл. № 1.

ВОЛОДЧЕНКО Александр Анатольевич

БЕЗАВТОКЛАВНЫЕ СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИРОДНОГО НАНОДИСПЕРСНОГО СЫРЬЯ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Подписано в печать 5.07.13. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1,3. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ 286

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова

На правах рукописи Z_

04201361512

ВОЛОДЧЕНКО АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

БЕЗАВТОКЛАВНЫЕ СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИРОДНОГО НАНОДИСПЕРСНОГО СЫРЬЯ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Лесовик B.C.

Белгород 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................5

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА...................................................................................10

1.1 Строительные материалы на основе песчано-глинистых пород................11

1.1.1 Методы стабилизации песчано-глинистых пород.............................11

1.1.2 Опыт промышленного производства строительных

материалов на основе стабилизированных глинистых пород..........14

1.1.3 Силикатные материалы гидротермального твердения

на основе песчано-глинистых пород...................................................16

1.2 Взаимодействие известкового компонента с породообразующими минералами глинистых пород.......................................................................19

1.3 Изучение силикатных и несиликатных водных систем..............................28

1.4 Влияние фазового состава на физико-механические свойства цементирующих соединений материалов гидротермального твердения..33

1.5 Глинистые породы как природное наноразмерное сырье...........................36

1.6 Выводы.............................................................................................................40

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................................42

2.1 Используемые материалы...............................................................................42

2.2 Методы исследований и идентификация состава сырья

и продуктов гидратационного твердения.....................................................43

2.3 Методика получения образцов.......................................................................52

2.4 Математическая обработка результатов исследований...............................54

3 ГЕОЛОГО-ЛИТОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЗАВТОКЛАВНЫХ СИЛИКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД КУРСКОЙ МАГНИНОЙ АНОМАЛИИ..............57

3.1 Современные представления о структурообразовании в системе СаО-кремнеземсодержащее сырье-Н20..........................................................57

3.2 Вещественный состав и свойства песчано-глинистых пород

Курской магнитной аномалии..........................................................................61

3.3 Песчано-глинистые породы как сырье для получения безавтоклавных силикатных материалов.....................................................................................72

3.3.1 Влияние песчано-глинистых пород на прочность сырца...................72

3.3.2 Безавтоклавные силикатные материалы на основе песчано-глинистых пород и извести....................................................76

3.4 Выводы.................................................................................................................107

4 СВОЙСТВА БЕЗАВТОКЛАВНЫХ СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОСТАВА СЫРЬЯ...................................................110

4.1 Стеновые материалы на основе известково-песчано-глинистого вяжущего..........................................................................................................110

4.2 Свойства силикатных материалов на основе супеси в зависимости

от давления гидротермальной обработки.....................................................116

4.3 Влияние пелитовой фракции на свойства безавтоклавных

силикатных материалов..................................................................................121

4.4 Свойства безавтоклавных силикатных материалов на основе песчано-глинистых пород и комплексного вяжущего.................................129

4.5 Влияние песчано-глинистых пород на окраску

безавтоклавных силикатных материалов.....................................................135

4.6 Рациональные составы безавтоклавных силикатных материалов

на основе песчано-глинистых пород.............................................................136

4.7 Разработка технологии производства безавтоклавных силикатных материалов на основе энергосберегающего сырья.....................................139

4.7.1 Технология производства силикатных материалов методом полусухого прессования......................................................................139

4.7.2 Технология производства силикатных материалов методом литьевого формования........................................................................145

4.7.3 Контроль производства силикатных камней и стеновых блоков.... 149

4.8 Выводы.............................................................................................................152

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЯЕМЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.........................154

5.1 Технико-экономическое обоснование проекта............................................154

5.2 Расчет экономии материальных затрат при замене традиционного силикатного кирпича силикатным камнем на основе

энергосберегающего сырья.............................................................................157

5.3 Разработка нормативных документов и внедрение результатов исследований....................................................................................................163

5.4 Выводы.............................................................................................................165

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.................................................................................................166

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................................168

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................184

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных направлений развития науки в настоящее время является энергосбережение, рациональное природопользование, разработки инновационных технологий производства зеленых композитов, что особенно актуально для строительного материаловедения.

Энергоемкость производства наиболее распространенных в России стеновых материалов - керамического и силикатного кирпича и камней, керамзитовых бетонных блоков и т. д. существенно выше зарубежных европейских и американских аналогов.

Актуальной задачей является снижение энергоемкости производства строительных материалов за счет использования нетрадиционного в т.ч. техногенного сырья, породообразующими минералами которых являются термодинамически неустойчивые соединения.

Для реализации этой задачи необходимо исследование процессов структу-рообразования при синтезе композиционных материалов с использованием термодинамически неустойчивых минералов глинистых пород в гидротермальных условиях при атмосферном давлении.

Внедрение данной инвестиционно привлекательной для предприятий малого и среднего бизнеса технологии позволит получить высококачественные стеновые материалы безавтоклавного твердения, существенно снизить энергоемкость производства, улучшить эстетичность зданий и сооружений и повысить конкурентоспособность стройиндустрии, что особенно актуально после вхождения России в ВТО.

Диссертационная работа выполнена в рамках Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 годы.

Цель и задачи работы.

Снижение энергоемкости производства стеновых силикатных материалов за счет использования термодинамически неустойчивого сырья.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— исследование процессов структурообразования системы «СаО-глинистые фазы незавершенной стадии минералообразования-Н20» в гидротермальных условиях;

— изучение состава и морфологии новообразований и их влияние на эксплуатационные характеристики стеновых материалов;

- разработка технологии производства безавтоклавных стеновых материалов с использованием термодинамически неустойчивых глинистых пород;

- разработка нормативно-технической документации и внедрение результатов исследований.

Научная новизна.

Показано, что изучаемые породы за счет содержащихся в них метастабиль-ных глинистых минералов, рентгеноамофной фазы и тонкодисперсного кварца активно взаимодействуют с известью и продуктами гидратации портландцемента при гидротермальной обработке при температуре до 90-95 °С с образованием слабоокристаллизованных гидросиликатов кальция и гидрогранатов, что приводит к возникновению прочной кристаллизационной структуры материала, обеспечивающей высокие физико-механические показатели изделий.

Установлен механизм взаимодействия породообразующих минералов пес-чано-глинистых нанодисперсных пород пород с гидроксидом кальция в условиях гидротермальной обработки без давления, заключающийся в возникновении первоначально промежуточных соединений в виде глобул, представляющих собой аморфные гидроалюминаты и гидросиликаты кальция, и последующим формировании на их основе цементирующих соединений из слабоокристаллизованных гидросиликатов кальция, в том числе алюмозамещенных и гидрогранатов.

Показано, что в процессе эксплуатации синтезированные стеновые материалы на основе природного нанодисперсного сырья набирают прочность за счет

процессов дальнейшего образования и перекристаллизации гидросиликатов кальция. При этом оптимизируется соотношение между гелевидными и кристаллическими компонентами и уплотняется структура цементирующего соединения, что приводит к увеличению прочности в 1,5-2 раза.

Практическое значение работы. Доказана возможность применения отложений незавершенной стадии глинообразования для получения безавтоклавных силикатных материалов. На основе полученных данных можно проводить оценку сырьевых ресурсов месторождений подобного сырья других регионов.

Разработана технология производства высокоэффективных безавтоклавных силикатных материалов с использованием песчано-глинистых пород, извести и цемента, позволяющие получать водостойкие изделия с пределом прочности при сжатии до 32 МПа. Морозостойкость составляет 15-25 циклов. Окраска изделий соответствует цвету исходной песчано-глинистой породы.

Предложены математические модели, которые позволяют оптимизировать технологические параметры получения безавтоклавных силикатных материалов с заданными физико-механическими показателями.

Себестоимость производства снижается на 30-35 % в результате уменьшения энергозатрат за счет замены автоклавной обработки на гидротермальный синтез при атмосферном давлении, использования более дешевого и доступного сырья при получении высокопустотных изделий.

Внедрение результатов исследований. Теоретические положения, полученные в данной работе, апробированы в промышленных условиях на ООО «Эко-стройматериалы» (г. Белгород). Подписан ряд протоколов о намерениях с организациями Белгородской, Орловской и др. областей о промышленном внедрении диссертационной работы.

Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы разработаны следующие нормативные и технические документы:

- стандарт организации СТО 02066339-011-2012 «Силикатные камни гидротермального твердения с использованием энергосберегающего сырья»;

- стандарт организации СТО 02066339-012-2012 «Стеновые блоки гидротермального твердения с использованием энергосберегающего сырья»;

- рекомендации по изготовлению стеновых блоков гидротермального твердения с использованием энергосберегающего сырья;

- рекомендации по изготовлению силикатного камня гидротермального твердения с использованием энергосберегающего сырья.

Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106, 270114, студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по направлению «Строительство».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на Международном студенческом форуме (Белгород, 2006); Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов вузов «Эврика» (Новочеркасск, 2008); Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройин-дустрии» (Белгород, 2007); VII Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2007 (Москва, 2007); XVIII Менделеевской конференции молодых ученых (Белгород, 2008); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2008); Международной конференции с элементами научной школы для молодежи (Якутск, 2009); 2-й Международной научно-практической конференции (Брянск, 2010); Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, МГСУ, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (Белгород, 2011); VIII Международной научно-практической конференции «Научное пространство Европы - 2012» (Przemysl, (Польша), 2012); Международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2012» (Одесса, 2012); XVI и XVII Международной заочной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2012 и 2013).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 19 научных публикациях, в том числе в четырех статьях в журналах по списку ВАК РФ, монографии, получен патент РФ.

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности получения безавтоклавных силикатных материалов на основе песчано-глинистых пород незавершенной стадии глинообразования;

- результаты экспериментальных исследований влияния песчано-глинистого пород на синтез и механизм формирования цементирующего соединения в условиях гидротермальной обработки без давления;

- технология производства высокопустотных песчано-глино-известковых камней и блоков;

- результаты внедрения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 198 страницах машинописного текста, включающего 45 таблиц, 49 рисунков и фотографий, списка литературы из 157 наименований, 8 приложений.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В современных условиях особую актуальность приобретают задачи использования отходов горнодобывающей промышленности, образующиеся при добыче полезных ископаемых. Наиболее рациональной областью использования этих отходов является производство строительных материалов. Решение этой проблемы позволит существенно улучшить технико-экономические показатели строительной индустрии, а также снизит отрицательное воздействие отходов на локальные экологические системы [1-7].

Актуальной задачей строительной отрасли является разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий, которые предусматривают использование местного минерального сырья и техногенных продуктов. Одним из направлений в области ресурсо- и энергосберегающих технологий является применение новых малоэнергоемких материалов [8-11].

Предприятия по производству силикатных материалов гидротермального твердения имеют очень хорошие перспективы применение различного техногенного сырья, обусловленное тем, что в производстве можно использовать сырье вторичного происхождения в естественном состоянии или после несложной и малоэнергоемкой обработки.

Проблеме использования отходов горнорудного производства в технологии строительных материалов уделено большое внимание, как в отечественных трудах, так и в зарубежной литературе.

При открытой разработке железорудных месторождений Курской магнитной аномалии (КМА) попутно извлекается большое количество вскрышных пород, которые можно использовать в промышленности, а иногда они и сами являются не менее ценными полезными ископаемыми, чем железные руды. Среди возможных источников сырья месторождений КМА для производства строительных материалов гидротермального и естественного твердения могут быть рассмотрены нетрадиционные для стройиндустрии глинистые породы, сотни млн. тонн которых попадают в зону горных работ при добыче железистых кварцитов.

Успешная разработка эффективных составов сырьевых смесей с применением промышленных отходов может осуществляться лишь на основе глубоких и разносторонних исследований физико-химических и технологических процессов твердения [12, 13]. Теория искусственных строительных конгломератов, разработанная И. А. Рыбьевым, служит надежной основой как при разработке новых, так и при модификации традиционных строительных материалов и технологий их производства [4, 14, 15].

1.1 Строительные материалы на основе песчано-глинистых пород 1.1.1 Методы стабилизации песчано-глинистых пород

Глинистые породы являются одним из наиболее широко распространенных типов грунтов. По своему гранулометрическому составу они подразделяются на глины, суглинки и супеси с включениями или без крупнообломочного материала. Глины образуются при выветривании полевошпатовых и некоторых других силикатных пород и состоят преимущественно из чрезвычайно мелких по размеру микрокристаллами глинистых минералов, которые относятся к группе слоистых и слоисто-ленточных силикатов. Наиболее типичными глинистыми минералами являются минералы группы каолинита, монтмориллонита или других слоистых алюмосиликатов [16, 17].

Частицы глинист