автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Горелопородные бетоны автоклавного твердения

ОД ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

-1 ^

СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

НАЗАРОВА Антонина Васильевна

УДК 666.9:691.0.

ГОРЕЛОПОРОДНЫЕ БЕТОНЫ АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Макеевка-2000

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре технологий строительных материалов, изделий и автом< ных дорог Донбасской государственной академии строительства и архитектуры Мини стера разования и науки Украины.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор кафедры технологи!

строительных материалов, изделий и автомобильных доро] [Матвиенко Василий Андреевич}, Донбасская государствен ная ¿кадемия строительства и архитектуры; кандидат техни ческих наук, доцент Зайчеико Николай Михайлович, Дон басская государственная академия строительства и архитектуры, начальник научно-исследовательского сектора.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ольгинский

Александр Георгиевич, Народная украинская академия, заведующий кафедрой, г. Харьков;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Попов Владимир Васильевич, Донецкий ПромстройНИИ-проект, заведующий отделом строительных материалов, изделий и конструкций.

Ведущая организация: Приднепровская государственная академия строительства и

архитектуры Министерства образования и науки Украины, кафедра строительных материалов, г. Днепропетровск.

Защита диссертации состоится « ZÍ'> jstUlJ 2000 г. в // часов на заседании спе лизированного ученого совета Д12.085.01 Донбасской государственной академии строительст архитектуры (Украина, 86123, Донецкая обл., г. Макеевка, ул. Державина, 2,1 учебный корпу< заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донбасской государственной академ! строительства и архитектуры (Украина, 86123, Донецкая обл., г. Макеевка, ул. Державина, 2).

Автореферат разослал « х/и'/Ы'гш г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета кандидат технических наук, доцент

А.М. Югов

]

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Конструкционные и конструкционно-теплоизоляционные силикатные бетоны отличаются от традиционных цементных бетонов меньшей на 15...25% себестоимостью, а также возможностью использования при их производстве местных вяжущих из техногенного сырья, в том числе из горелых пород шахтных отвалов (терриконов), количество которых на территории Донбасса более 1200, а объем горелой породы превышает 2 млрд. м3.

Физико-механические свойства, минеральный и химический состав горелых пород свидетельствуют о том, что они могут быть использованы при производстве растаорных и бетонных смесей. В то же время, бетоны с использованием горелопородного сырья широкого применения в производстве строительных материалов и изделий не нашли. Это объясняется, прежде всего, неоднородностью состава и степенью обжига горелых пород, присутствием несго-ревшего угля и недегидратированных глинистых частиц (потери при прокаливании), а также сульфатов и сульфидов, снижающих долговечность строительных изделий и конструкций. Для изготовления бетонов рекомендуется использовать хорошо обожженную, спекшуюся породу терриконов, а мелкие фракции, содержащие наибольшее количество указанных примесей, от- . сеивать в отвал, что в целом не решает проблему комплексной утилизации техногенного сырья. Одним из эффективных путей решения этих задач может быть тонкое измельчение горелой породы, содержащей повышенное количество углистых и глинистых примесей, с последующим использованием. в качестве компонента вяжущего автоклавного твердения.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Выполненная работа явля-гтся одним из этапов исследований Донбасского НИПТИСП по теме N2308.92-93 «Разработка технологии использования полностью перегоревших шахтных пород в производстве строительны^ материалов» (заказчик - Госстрой Украины) и Донбасской ГАСА, кафедры технологий строительных материалов, изделий и автомобильных дорог по теме №01971101396 «Разработка и внедрение технологии комплексной переработки техногенных месторождений угледо-эывакяцей промышленности в высококачественные строительные материалы» (заказчик - Министерство образования и науки Украины) в рамках международной программы технической помощи ТАС18 и программы Госстроя Украины «Развитие и совершенствование системы ути-чизащш отходов угольного производства с целью градостроительного использования террито-зий (рекультивация терриконов)».

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование получения горелопородного бетона путем установления закономерностей формирования его микроструктуры, представленной вяжущим на основе извести и горелых шахтных пород с повышенным содержанием потерь при прокаливании и сернистых соединений.

Задачи исследований:

■ изучить физико-механические и химические свойства горелых шахтных пород Донбасса как минерального сырья для автоклавных бетонов, оценить их однородность, а также закономерности изменения свойств горелых пород в зависимости от степени измельчения;

- выполнить оптимизацию составов горелопородных вяжущих и бетонов по критерию прочности с учетом свойств горелой породы и условий твердения;

- исследовать закономерности гидротермального синтеза горелопородного вяжущего и установить допустимые пределы содержания углистых и глинистых примесей, а также серного ангидрида (п.п.п. и БОз) в тонкомологой горелой породе;

- изучить эксплуатационные свойства горелопородных бетонов и определить область их применения;

- разработать рациональную технологическую схему производства известково-горелопородного вяжущего и изделий из автоклавных горелопородных бетонов;

- выполнить опытно-промышленную проверку и внедрение технологии производства из-вестково-горелопородного вяжущего и изделий из автоклавных горелопородных бетонов; дать экономическое обоснование целесообразности применения в строительстве горелопородных бетонов автоклавного твердения.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

- теоретически и экспериментально показана возможность переработки горелых пород шахтных терриконов Донбасса с широким диапазоном состава и свойств в эффективные компоненты автоклавных бетонов;

- физико-химическими исследованиями дополнены представления о процессах преобразования исходного состава отвальной шахтной породы при ее самообжиге в терриконах;

- установлено, что примеси в виде органических и недегидратированных минеральных веществ (п.п.п. до 12% по массе), а также сернистых соединений (до 8% по массе в пересчете на БОз), содержащиеся в горелой породе, практически не оказывают влияние на состав продуктов и степень гидратации известково-горелопородного вяжущего автоклавного твердения;

- исследованы физико-механические, эксплуатационные свойства и коррозионная стойкость автоклавных бетонов, содержащих горелые породы с повышенным количеством примесей в виде углистых, недегидратированных глинистых частиц и сернистых соединений.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается значениями экспериментальных данных, полученных на основе современных методов исследований, статистическим анализом полученных зависимостей с доверительной вероятностью 0,95, соответствием результатов лабораторных исследований и промышленных испытаний теоретическим предпосылкам.

Практическое значение полученных результатов:

- разработаны технические условия ТУ 7 Украины 02498168-04-93 «Вещество вяжущее из-веспсовопородное», ТУ 7 Украины 02498168-02-92 «Блоки стеновые из ячеистых породоси-ликатобетояов для жилых и общественных зданий», ТУ 7 Украины 02498168-001 -92 «Блоки стеновые из плотных породосиликатобетонов для жилых и общественных зданий»;

- выполнена рациональная технологическая схема производства известково-горелопородного вяжущего и изделий из автоклавных горелопородных бетонов для Лисичанского завода «Домостроитель» мощностью 40тыс. квадратных метров жилья в год;

- определена экономическая эффективность изделий из горелопородных бетонов автоклавного твердения - годовой экономический эффект при выпуске мелкоштучных стеновых изделий составляет 169,07 тыс.грн.

Личный вклад соискателя состоит в следующем:

- выполнен расчет термодинамических характеристик реакций гидратации известково-горелопородного вяжущего и их анализ;

- исследованы состав, свойства и гидравлическая активность исходных горелых пород шахтных терриконов Донбасса;

- проведена оптимизация состава известково-горелопородного вяжущего и бетонов на его основе; установлены закономерности формирования структуры горелопородных бетонов в различных условиях гидротермальной обработки;

- разработаны технические условия на строительные материалы и изделия из горелых пород.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: «Ресурсосбережение и экология промышленного региона» (г. Макеевка, 1995 г.); «Индивидуальный жилой дом» (г. Винница, 1998 г.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 9 научных трудах (7 статей в научно-технических сборниках; 2 - в материалах научно-технических конференций).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 140 наименований на 13 страницах и 5 приложений на 58 страницах. Содержит 112 страниц основного текста, 29 рисунков, 28 таблиц, 18 полных страниц с рисунками и таблицами.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены основные научные результаты, показано их практическое значение и область реализаоти.

В первом разделе выполнен аналитический обзор исследований по получению строительных материалов из промышленных отходов, в том числе силикатных бетонов автоклавного твердения с использованием отходов угледобычи и углеобогащения.

В работах П.И. Боженова, Л.С. Болквадзе, П.П. Будникова, A.B. Волженского, Л.И. Дворкина, AT. Джапаридзе, Г.И. Книгиной, Т.И. Михеевой, ИЛ Слободяника, Г.Н. Сиверцева, В.Н. Старчука, В.В. Попова и других ученых изучены химико-минератьный состав и свойства горелых пород, изложены основы технологии производства бетонов с их использованием. Показано, что минеральный состав пород шахтных терриконов имеет аргиллитово-алевролитовое происхождение, а химический состав колеблется в широких пределах, что обу-

словлено, прежде всего, различной степенью их обжига. При неполном обжиге шахтные породы содержат ряд примесей, среди которых особенно опасны несгоревшие углистые частицы, характеризующиеся повышенной гидрофильностью и способностью к значительным объемным изменениям при изменении влажности. Содержание в породе серного анпирида-БОз может вызвать сульфатную коррозию камня вяжущего. Установлено, что эти примеси в мелкодисперсной фракции горелых пород встречаются в значительно большем количестве, чем в крупной. В этой связи в ранее выполненных исследованиях в основу переработки горелых пород шахтных терриконов в компоненты бетонных смесей принято обогащение горелых пород путем отсева мелких фракций и дробления крупных фракций с последующим использованием дробленой части породы' как заполнителя или составляющей известково-горелопородного вяжущего.

Анализ гранулометрического состава шахтных пород Донбасса свидетельствует о том, что в их структуре мелкодисперсная фракция (менее 5 мм) составляет до 40. ..45%. ДСТУ Б В.2.7-17-95 ограничивает максимальное содержание несгоревших частиц топлива в золах, шлаках, горелых породах до 5%. В то же время известно, что общие потери при прокаливании (п.п.п.), как характеристика химического состава горелых пород, включают также потери при дегидратации глинистых минералов (каолинит, пирофиллит, монтмориллонит). Поэтому при оценке качества горелопородного сырья необходимо более точное определение содержания органических веществ в общем балансе пл.п.

Исследованиями П.П. Будникова показано, что глинистые минералы способны химически взаимодействовать с гидроксидом кальция с образованием гидроалюминатов кальция и гидросиликатов кальция различной основности. При этом с повышением дисперсности глинистого компонента связывание Са(ОН)2 происходит значительно активнее (Б.Н. Виноградов). Это согласуется с мнением А.Г. Ольгинского, который показал, что степень воздействия минералов-наполнителей на процессы контакгообразования в твердеющих системах зависит от их дисперсности.

Таким образом, мелкодисперсную фракцию горелых пород с содержанием органики до 5% после тщательного измельчения можно использовать в качестве компонента вяжущего. Для ускорения твердения и повышения прочности известково-горелопородных бетонов применяют химические активизаторы, среди которых особенно эффективен гипсовый камень (Т.Н. Сиверцев, Г.И. Книгана).

С целью прогнозирования образования возможных продуктов реакции в системе СаО-АЬОз-БЮг-НгО проведены расчеты термодинамических характеристик, заключающиеся в определении энтальпии реакции ДН° и величины изобарно-изотермического потенциала процесса (В.И. Бабушкин, О.П. Мчедлов-Петросян, Т.В. Кузнецова). Определены термодинамические характеристики ДН° и при различных значениях температуры реакций для следующих составляющих горелой породы: каолинита, а также продуктов его полиморфных превращений при нагревании - метакаолинита и муллита (табл.1). Кроме того, в расчете реакций принималась активная железистая составляющая породы оксид железа

Ре203 - продукт окисления пирита. В качестве возможных вариантов продуктов твердения приняты низко- и высокоосновные гидросиликаты кальция, гидроалюминаты и гидроферриты кальция, эттрингит, а также сульфат железа и его гидроксид.

Сопоставительный анализ термодинамических расчетов позволяет сделать ряд обобщений. Дегидратированные алюмосиликаты и гадроагаомосиликзш как составляющие горелой породы способны взаимодействовать с щдроксидом и сульфатом кальция с образованием в интервале температур 25...95°С преимущественно высокоосновных гидросиликатов катыщя и этгргатпгга (реакции 1, 3, 5), а при температуре 184°С направленность процесса гидратации характеризуется достаточно высокой вероятностью образования низкоосновных гидросшикатов кальция (реакции 2,4, 6). В анализируемых системах присутствует оксид железа, который, как правило, гидратиру-егтся до Ре(ОН)з с дальнейшим образованием комплексного соединения - гидроферрита кальция.

Таблица 1

Значение изобарно-изогермического потенциала №° реакций гидратации муллитовой, метакаолинитовой и каолинитовой составляющих известково-горелопородного вяжущего

№ Уравнение реакции кДж/моль

298К 368К 45 7К

1 ЗА12Оз-28Ю2-НЗСа(ОН)2+9(Са50г2Н20)+Ре2С>з+63Н20= =2(2Са0-8Ю2-Н20)+3(ЗСа0-АЬ0з-ЗСа504-31 -Н20)+2Ре(0Н)3 1675 1185 565

2 ЗА120з-28Ю2+6Са(0Н)2+Ре20з+ЗШ20=ЗСа0-23Ю2-ЗН20+ +3 (СаО • А12 Оз' 1 ОН 20)+2Ре(0Н)з 509 603 750

3 А12Оз-28Ю2+7Са(ОН)2+3 (Са804-2Н20)+Ре20з+21 Н20= =2(2СаО-8Ю2-Н2О)+ЗСа0-А120з-ЗСа504-ЗШ20+2Ре(С)Н)з 944 789 591

4 '3(А120з-25!02)+13Са(0Н)2+3(Са504-2Н20)+Ре203+82Н20= =2(2СаО-38Ю2-2,5Н2О)+3(ЗСаО-А1203-ЗСа5О1-31-Н20)+2Ре(ОН)3 8623 8144 7512

5 А120з-28Ю2-2Н20+7Са(0Щ2+3(Са804-2Н20)+Ре20з+19Н20 =2(2СаО-8Ю2-Н20)+ЗСаО-А12Оз-ЗСа804-31-Н20+2Ре(ОН)з 788 633 435

б 3(А120з-23102-2Н20)+13Са(0Н)2+3(Са504-2Н20)+Ре20з+-76Н20= =2(2СаО-35Ю2-2,5Н20)+3(ЗСаО'А12Оз-ЗСаЗО<-31 Н20)+2Ре(0Н)з 7834 7351 6720

На основе проведенного анализа предложена рабочая гипотеза о возможности участия малоактивных недегидратированных и дегидратированных аморфизованных алюмосиликатов в синтезе продуктов твердения вяжущих. Их реакционная способность значительно возрастает при увеличении степени дисперсности и повышения температуры твердения в условиях автоклавной обработки.

Во втором разделе для решения поставленных в работе задач разработана блок-схема лабораторных и производственных исследований (рис.1).

Исследованы пробы горелых пород из 13 терриконов шахт Луганской области, химический состав которых представлен такими оксидами, %: БЮг (50,4...63,4); А120з (15...29,8);

БезОз (6,4...17,8); СаО (0,8...5,4); МвО (0,7...1,8); БОз (ОД...7,3); п.п.п. (1,8...11,5). Независимо от колебаний содержания основных оксидов все исследованные породы имеют очень низкий модуль основности: Мо=0,02...0,09. В то же время, по величине глинитно-железистого модуля (Мг.ж.=0,43...0,67), предложенного профессором Г.И. Книгиной для оценки гидравлической активности алюмосиликатных сырьевых материалов, эти горелые породы являются высокоактивными.

Рис.1. Блок-схема лабораторных и производственных исследований.

В качестве основных объектов исследований приняты породы четырех отвалов шахт, разрабатывавших коксующиеся и энергетические угли марок Ж, Г и Д, с диапазоном Мгж=0,43...0,67, содержанием сернистых соединений в пересчете на БОз в пределах 0,93...7,31% и п.п.п. - 2,36... 11,50%. Для активизации твердения бетона использованы кальциевая известь Лисичанского и Березовского заводов с содержанием (СаОИ^О) -П...79% и гипсовый камень Деконского карьера с содержанием СаЭО^НгО не менее 90%.

В диссертационной работе кроме стандартных методов для определения физико-механических свойств горелой породы, вяжущих и бетонов на ее основе использованы специальные методы анализа: петрографический (поляризационный микроскоп МИН-8), фото-колометрический (фотоколориметр КФК-3 и плазменный анализатор жидкости ПАЖ-1). Определение фазового состава продуктов твердения вяжущего выполнено с помощью дерива-тографического (дериватограф МОМ-5) и рентгенофазового (установка ДРОН-3) анализа.

Для получения достоверных экспериментальных данных результаты исследований обрабатывали методами математической статистики.

В третьем разделе приведены результаты исследований исходных горелых пород, определен оптимальный состав вяжущего, изучено влияние условий твердения известковогоре-лопородного вяжущего на формирование продуктов его гидратации.

Методом термогравиметрии определена величина потерь при прокаливании горелых пород шахт «Лотиково-1», «Лотиково-2», «Брянка» и им. Титова При этом изучались такие температуры обжига, которые по данным A.B. Волженского соответствуют интервалу дегидратации каолинита (600...800°С), порогу разложения метакаолинита (700...900°С), а с другой стороны - при которых выгорание органики происходит пике температуры дегидратации каолинита. Установлено, что содержание органики не превышает 4,5%, а оставшаяся величина п.п.п. приходится на продукты дегидратации алюмосиликатов (рис.2).

12 10 8 б 4 2 0'

Рис.2. Зависимость потерь массы при прокаливании породы Am от температуры t:

1, 2, 3, 4 - пробы горелых пород шахт «Лотиково-1»; «Лотиково-2»; им. Титова;

«Брянка»;

I - зона сгорания углистых частиц; II - зона дегидратации глинистых минералов.

Эти данные согласуются с результатами определения содержания угля по приближенному способу, основанному на интенсивности поглощения горелой породой метиленового голубого из раствора концентрации 0,5г/л. Горелые породы шахт «Лотиково-1» и «Лотиково-2» более интенсивно поглощают также из раствора известь, что обусловлено повышенным содержанием п.п.п. и соответствует данным о повышенной адсорбционной емкости глинистых минералов по сравнению с продуктами их обжига.

Следует также отметить, что степень обжига пород даже в пределах одного террикона различна. Так, в пробах мелкодисперсных фракций горелых пород на рентгенограммах идентифицированы дифракционные пики, характерные для каолинита (d=0,357; 0,332; 0,194; 0,189; 0,167 нм), монтмориллонита (<М),260; 0,222; 0,155 нм), пирофиллита (d=0,458; 0,308; 0,185; 0,157 нм), гематита (d=0,269; 0,184; 0,148 ям) и ß-кварца (d=0,334; 0,228 нм). Пробы, отобранные из хорошо спекшихся кусков породы, имеют значительно меньшую интенсив-

ность дифракционных отражений, характерных для глинистых минералов, в то же время идентифицирован муллит (d~0,289; О,ISS; 0,140 нм), а искаженная кристаллическая структура метакаолинита на рентгенограммах не дает четких дифракционных отражений.

Таким образом, исследованные горелые породы содержат в качестве основных составляющих минералы, принятые для термодинамических расчетов в теоретических предпосылках исследований. Возможность их использования как тонкомолотого компонента вяжущего должна быть подтверждена исследованиями основных свойств вяжущего и фазового состава продуктов его гидратации.

Выполнена оптимизация состава известково-горелопородного вяжущего по критерию предела прочности при сжатии. Установлено, что основными факторами оптимизации являются активность сухой смеси Аш.,% и содержание извести в составе вяжущего (CaO+MgO, %). Максимальное значение предела прочности при сжатии камня вяжущего, твердевшего в нормальных условиях, соответствует активности смеси АсМ.=7. ..9% и (CaO+MgO)-15...20%. При этом прочность образцов на основе горелой породы шахты «Лотиково-1» имеет наименьшее значение, что обусловлено, вероятно, повышенным содержанием в ее составе п.п.п. (рис.3).

Автоклавная обработка образцов вяжущих позволяет почти в 1,5 раза повысить их прочность, причем четкой корреляционной зависимости между прочностью камня вяжущего и содержанием в горелой породе SOj н п.п.п. не наблюдается. Это свидетельствует об усилении ее гидратационной активности и более полном связывании гидрата окиси кальция в условиях запаривания в автоклаве.

Рентгенограммы образцов вяжущих, пропаренных при t=95°C на различных пробах породы, позволили установить преимущественно алгомосшшкатный характер твердения и идентифицировать в составе продуктов гидратации гидроагаоминаты и гидроферриты кальция, этгринпгг, портландит, а также гидросиликаты кальция различной основности CSH (II), СгЭзНу, что подтверждается экзоэфф ектами на кривых ДТА при температурах 715...730°Си 830...860°С. При этом степень гидратации пропаренных вяжущих практически не зависит от вида горелой породы ( Дт = 18,9.. .20,2%).

На рентгенограммах вяжущих автоклавного твердения отсутствуют дифракционные отражения гиролита, поргландита и гидроферрита кальция. В то же время идентифицированы пирогранагы, гиллебраядит, а также пщросиликат кальция - тоберморит. Дериватографиче-скими исследованиями существенных отличий в пробах вяжущего на основе различных горелых пород не обнаружено. Увеличение потерь при прокаливании в интервале температур 120...I50°C, а также отсутствие эндоэффектов в интервале 500...530°С свидетельствует о более полном связывании извести и повышении степени ее гидратации. Следовательно, различия в содержании в горелой породе п.п.п. и SO3 (2,4... 11,5% и 0,9.. .7,3% соответственно),-существенно на фазовый состав продуктов твердения не влияют. Повышение температуры твердения вяжущего от 95°С при пропаривании до 175°С при автоклавной обработке обусловливает образование, преимущественно низкоосновных гидросиликатов кальция и более полное использование извести в синтезе новообразований, что подтверждает рабочую гипотезу.

а) б)

в) г)

Рис.3 Зависимость предела прочности при сжатии осж камня вяжущего естественного твердения от активности сухой смеси Ас„:

1, 2, 3, 4 - горелая порода шахт им. Титова; «Брянка»; «Лотиково-2»; «Лотиково-1»; а, б, в, г - содержание в вяжущем (СаО+К^О) -15%; 20%; 25%; 30% соответственно.

В четвертом разделе выполнена оптимизация составов плотного и поризованного горе породных бетонов, исследованы их основные физико-механические и эксплуатационные свойс а также коррозионная стойкость плотного бетона в агрессивных средах.

При оптимизации составов бетонов был использован трехфакторный план эксперимента качестве факторов состава бетона плотной структуры приняты: активность смеси Х| (Ас, %)=б. водовяжутцее отношение Хг (В/В)=0,67...0,89 и содержание песчаной фракции в мелкозернис: бетоне Хз (П)=0,65...0,75. Для поризованного бетона: активность смеси X) (Ас, %)=18...22, рас: алюминиевой пудры Х2(тАь кг/м3)=0,32...0,4 и водовяжущее отношение Хз(В/В)=0,58...0,78 качестве параметров оптимизации приняты предел прочности при сжатии плотного горелопор ного бед-она (Лсж, МПа) - не менее 32 и средняя плотность поризованного бетона У2 (р0,кг/м не менее 600.

Регрессионный анализ выполнен с помощью программы "Астат 2.0", с учетом оценки з чимости коэффициентов получены следующие уравнения:

У, =34,1 + 3,1-Х,-2,0-Х2 (1)

У^бП + П-Х^ЗБ-Хз-гО-Х^Хг

(2).

Информационная способность и адекватность математических моделей проверены с помоп критерия Фишера Коэффициенты множественной корреляции для моделей (1,2) составляют 0,96 и ( соответственно, а графическая интерпретация моделей представлена на рис.4,5.

Ро

Рис.4. Зависимость предела прочности при Рис.5. Зависимость средней плотности (ро,

сжатии (сгсж, МПа) плотного горело- кг/м3) поризованного горелопород-

породного бетона от активности сухой НОго бетона от активности сухой

смеси (Хь %) и водовяжущего отао- шеси (Хи %) и расхода алюминие-

шения (Хг).

вой пудры (Хг, кг/м ).

Теплофизические свойства плотных и поризованных горелопородных бетонов в зависимости от средней плотности бетона в сухом состоянии характеризуются показателями коэффициента теплопроводности в пределах 0,33...0,52 и 0,15...0,22 Вт/м-К соответственно. Эти данные могут быть использованы для теплотехнического расчета наружных ограждающих конструкций по известным формулам и нормативам (рис. б).

Расчётная толщина стен, м

Рис.6. Зависимость коэффициента теплопроводности X поризованного автоклавного бетона от его средней плотности ро: 1 - бетон в сухом состоянии; 2 — влажность бетона 12% по массе; 3 -влажность бетона 15% по массе.

Повышенные требования предъявляются к морозостойкости горелопородных бетонов, так как содержащиеся в породе несгоревшие углистые частицы, а также глина вызывают ее резкое снижение. В то же время, установлено, что в случае использования горелых пород (с показателями п.п.п.=2,36...11,50%) как тонкомолотого компонента вяжущего бетоны автоклавного твердения имеют марку по морозостойкости не менее 00 (табл.2).

Характерно, что высокие теплозащитные свойства горелопородных бетонов, их удовлетворительная морозостойкость и деформативностъ сочетаются с относительно низкой коррозионной стойкостью бетонов в сульфатной среде. Вероятно, это связано с повышенным содержанием в горелых породах сернистых соединений и предопределяет область применения горелопородных бетонов (табл.3).

Табли:

Морозостойкость плотных автоклавных бетонов

Наименование шахты, - п.п.п., % Марка бетона Критерии морозостойкости бетона

прирост (+), снижение (-) предела прочности при сжатии, % признаки разрушения

после количества циклов

75 100 150 75 100 150

им. Титова - 8,30 250 +14,2 +9,3 -9,8 отсутствуют шелушение

"Брянка" - 2,36 200 +11,4 +8,5 -6,4 тоже то же

"Лапшово-Г- 11Д) 300 +7,5 +3,4 -10,2 тоже шелушение, трещины

"Лотиково-2" - 6,50 300 +10,5 +4,4 -8,9 тоже то же

В пятом разделе приведены результаты реализации исследований. Разработаны и введс впервые на территории Украины технические условия на известково-горелопородное вяжущее, в торых отражены новые требования по максимальному содержанию вредных примесей в горелопор ном сырье для вяжущего автоклавного твердения (п.п.п. - не более 12%; 50} - не более 8%), а тм технические условия на блоки стеновые из плотного и поризованного горелопородных бетонов.

С учетом результатов исследований разработана рациональная энерго- и ресурсосберегг щая технологическая схема производства известково-горелопородного вяжущего и автоклавн горелопородных бетонов, по которой построен завод ПО «Домостроитель» (г. Лисичанск, Луг екая область) мощностью 200 коттеджей (40 тыс. м2 жилья) в год. Номенклатурой изделий (таб! предусмотрен выпуск элементов из горелопородного бетона для жилых домов по пяти архит турно-планировочным решениям.

Таблиц

Номенклатура деталей коттеджа

Наименование изделий Единицы измерения Объем выпуска в год

Стеновые блоки для внутренних стен из плотного горелопородного бетона м3 17000

Блоки стен подвалов м' 6000

Плиты перекрытия 8000

Стеновые блоки для наружных стен из поризованного горелопородного бетона м3 19000

Изделия стеновые мелкоштучные из горелопородного бетона млн. шт. 10

Заводом изготовлены опытные, а затем промышленные партии вяжущего, мелкого горелопо-родного заполнителя и изделий из горелопородного бетона (табл.4), результаты испытаний которых показали полное соответствие их эксплуатационных характеристик нормативным требованиям. Изделия стеновые мелкоштучные из горелопородного бетона в 1997 г. сертифицированы в системе УкрСЕПРО (сертификат соответствия № 11А 1.039.12234-97).

Таблица 4

Объем выпуска продукции

Наименование продукции Единица измерения Объем выпуска по годам

1996 1997 1998 1999

Изделия стеновые мелкоштучные из горелопородного бетона м' 400 250 870 180

Известково-горелопородное вяжущее т 218 128 430 123

Мелкий заполнитель т 469 320 949 292

Блоки стен подвала м^ 60 107 43 82

Технико-экономические расчеты показали, что снижение себестоимости продукции на основе техногенного сырья - горелой шахтной породы, по сравнению с традиционными силикатобе-тонными изделиями, составляет 6,69 грн/м3 (23%).

ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность утилизации горелых пород шахтных терриконов Донбасса с широким диапазоном состава, в том числе по содержанию потерь при прокаливании (п.пл.) и сернистых соединений, в компоненты конструкционных и конструкционно-теплоизоляционных силикатных бетонов автоклавного твердения.

2. Оптимизированы составы известково-горелопородных вяжущих марок 200...300, плотных и поризованных бетонов с использованием горелых пород с повышенным содержанием п.п.п. и БОз -11,5 % и 7,31 %, соответственно.

3. Установлено, что плотные горелопородные бетоны характеризуются следующими показателями качества: предел прочности при сжатии- 10...30 МПа; марка по морозостойкости Р100; коэффициент теплопроводности в сухом состоянии - 0,35...0,55 Вт/м'К; модуль упругости для бетона марки 200 - 16,3-103 МПа; усадочные деформации при высыхании - не более 0,14 мм/м; коэффициент коррозионной стойкости в сульфатной среде - менее 0,8. Поризованные горело-

породные бетоны характеризуются следующими свойствами: средняя плотность в cyxos стояний-700...900 кг/м3; предел прочности при сжатии - 3,5...5,0 МПа; марка по морозос кости - не менее F15; коэффициент теплопроводности в сухом состоянии - 0,16. ..0,28 Вт/ усадочные деформации при высыхании - не более 0,46 мм/м.

4. Методами РФА и ДТА показано, что содержание несгоревшего угля и недегидратирова} глинистых минералов (п.п.п.) до 12%, и сернистых соединений (в пересчете на SO3) до 81: оказывает отрицательного влияния на синтез новообразований известково-горелолород вяжущего автоклавного твердения.

5. Разработаны и внедрены технические условия ТУ 7 Украины 02498168 - 04-93 "Веществе жушее известковопородное", ТУ 7 Украины 02498168-02-92 " Блоки стеновые из ячеистых родосиликатобетонов для жилых и общественных зданий", ТУ 7 Украины 02498168-00 "Блоки стеновые из плотных породосикатобетонов для жилых и общественных зданий".

6. Разработана энерго- и ресурсосберегающая технология комплексной переработки горел( родного сырья для производства компонентов плотных и поризованных горелопородных б нов автоклавного твердения.

7. Результаты исследований внедрены на построенном в 1993...95 гг. заводе ПО «Домост[ тель» (г. Лисичанск, Луганская обл.). Выпущены промышленные партии известкс горелопородного вяжущего, мелкого заполнителя, мелкоштучных стеновых изделий из п лопородного бетона. Годовой экономический эффект при выпуске мелкоштучных стено: изделий по предложенной технологии составляет 169,07 т. грн.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Назарова A.B., НарстА.Л. Горелопородяые бетоны автоклавного твердения // Науч технический сборник Донецкого ПромстройНИИпроекта «Современные проблемы строите ста». - ООО «Лебедь», Донецк, 1997. - С. 95-97.

2. Назарова A.B. Бесклинкерное горелопородное вяжущее // Вестник ДГАСА. - 1998. - Вып.9 (9). -С.99-103.

3. Назарова A.B. Оптимизация состава плотного горелопородного бетона автоклавного твер ния // Вестник ДГАСА. -1998. - Вып.98-1 (9). - С. 103-107.

4. Назарова A.B. Оптимизация состава поризованного бетона на основе горелой породы // Ве ник ДГАСА. - 1999. -Вып.99-2 (16).-С. 66-68.

5. Матвиенко В.А., Назарова A.B. Исследование и эффективное использование техногенного с рья в условиях реновации строительной индустрии (региональный аспект) // Приднепрова

ДГАСА. Сб. научных трудов «Проблемы реконструкции и эксплуатации промышленных и гражданских объектов».-Днепропетровск- 1999.-С. 114-118.

6. Уваров Е.П., Замиховский М.А., Назарова A.B. Концепция регионального развития отходопе-рер'абатывающих предприятий для строительного комплекса Донбасса// Труды междунар. конф. «Ресурсосбережение и экология промышленного региона». Т 1.-Макеевка:-1995. - С. 137-141.

7. Матвиенко В.А., Назарова A.B., Плотникова Г.В. Социально-экономические проблемы внешнеэкономических связей региона // Сб. научных трудов. - Донецк, HAH Украины, ин-т экономики промышленности, 1996.-С, 101-107.

8. Матв1енко В., Братчун В., Повзун О., Назарова А. Буд|вельш матер1али з вщходш виробництв // HayxoBi записки. Вип. 1. - К, 1998. - С. 352-360.

9. Назарова A.B. Шахтные горелые породы как эффективное сырье для производства строительных материалов и изделий // «Гндивщуальний житловий будинок». Друга республпсанська на-укдво-техтчна конференщя. - Вштщя, 1998., - С.130-133.

Личный вклад соискателя в этих работах. Все основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. В публикациях автором выполнено: исследования химического состава, физико-механических свойств горелых пород и горелопородных бетонов [1, 8]; оптимизация состава известково-горелопородного вяжущего [2]; оптимизация состава горелопородных бетонов плотной и поризованной структуры по математическим моделям [3, 4]; исследования эксплуатационных характеристик горелопородных бетонов и определение области их применения [5, 9].

АННОТАЦИЯ

Назарова A.B. Горелопородные бетоны автоклавного твердения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 35.23.05,- Строительные материалы и изделия. - Донбасская государственная академия строительна и архитектуры, Макеевка, 2000.

Диссертация посвящена решению актуальной задачи - теоретическому и экспериментальному обоснованию получения горелопородного бетона, приближающегося по качеству к традиционно силикатным бетонам автоклавного твердения, путем установления закономерностей формирования его микроструктуры, представленной вяжущим на основе извести и горелых шахтных по-юд с повышенным содержанием вредных примесей в виде несгоревшего топлива, глинистых минералов и сернистых соединений. Термодинамическими расчетами определены наиболее харак-

терные реакции взаимодействия составляющих горелых пород с акгавизаторами твердения - ! стью и гипсом. Показано, что с повышением температуры протекания реакций возрастает Be¡ ность образования в составе продуктов гидратации вяжущего низкоосновных гидросили» кальция. Изучены минеральный и химический состав горелых пород 13 терриконов тахт Л) ской области. Показано, что все исследованные пробы характеризуются высоким показат глинитно-железистого модуля (Мг.ж=0,43...0,67) и обладают высокой гидравлической акта стью. В то же время отмечены значительные колебания химического состава, степени обжип род даже в пределах одного террикона. Предложено мелкие фракции горелых пород, содержа повышенное количество вредных примесей, тонко измельчать и использовать в качестве коf нента вяжущего. Оптимизированы составы известково-горелопородного вяжущего м; 200...300. Установлено, что основными факторами, определяющими прочность камня вяжуш являются, активность сухой смеси (Ао,.=7...9%) и содержание извести в составе вяжуи (CaO+MgO)=15.. .20%.

Комплексными исследованиями фазового состава продуктов гидротермального синтеза вестково-горелолородного вяжущего установлен преимущественно алюмосиликатный xapaf его твердения при пропаривашш при атмосферном давлении. Запаривание вяжущего в автокг способствует повышению его степени гидратация, образованию низкоосновных гидросилика кальция и гидрогранатов. При этом различное содержание в пробах горелых пород потерь ; прокаливании (п.д.п.), сульфатов и сульфидов практически не оказывает влияние на состав п дуктов твердения вяжущего и степень его гидратации.

Экспериментально-статистическими методами оптимизированы составы плотных и пор» ванных горелопородных бетонов, изучены их основные физико-механические и эксплуатациою свойства. Горелопородные бетоны плотной структуры имеют следующие показатели качест предел прочности при сжатии - 10. ..30 МПа; морозостойкость - не менее 100 циклов, модуль ругости для бетона марки 200 - 16,3-Ю"1 МПа, коэффициент коррозионной стойкости в сульфат! среде - менее 0,8. Поризованные горелопородные бетоны характеризуются средней плотность! 700...900 кг/м3, пределом прочности при сжатии - 3,5...5,0 МПа, морозостойкостью - не менее циклов^ коэффициентом теплопроводности - 0,16. .,0,28 Вт/м-К.

Разработаны и внедрены технические условия Украины на известково-горелопородное : жущне, бетоны на его основе. Результаты исследований внедрены на построенном в 1993-95гг. воде ПО «Домостроитель» (г. Лисичанск). Снижение себестоимости продукции на основе тех! генного сырья - горелой шахтной породы, по сравнению с традиционными силикатобетонны изделиями, составляет 6,69 грн/м5 (23%).

Ключевые слова: известково-горелопородное вяжущее, горелопородный бетон, автоклавщ вание, физико-механические и эксплуатационные свойства.

АНОТАЦШ

Назарова А.В. Горшопородш бетони автоклавного твердшня. - Рукопис.

Дисертащя на здобутгя наукового ступеня кандидата техтчннх наук за спещальшстю 05.23.05. - Будавельш матер!али та вироби. - Донбаська державна академия буд^вництва i архяек-тури, Макнвка, 2000.

Дисертадк прнсвячена pinieHHio актуально! задач1 - теоретичному i експериментальному об-грунтуванню отримання горшшородного бетону, що наближаеться за яюстю до традищйних бетонов автоклавного тверщння, шляхом встановлення законом1рностей формування його мнсрост-руктури, представлено! в'яжучим на ochobI вапна i шахтних горших порщ з пщвшценим вмгстом шмдливих домнпок. Вивчено склад i властивосп горыих порщ шахтних терикошв. Експеримен-тально-статистично оггпмзовано склади вапняно-гориюпородного в'яжучого, щшьного i поризо-ваного горшопородних бетошв, визначено ix фшко-механичш i експлуатащйт властивосп. Роз-роблено i введено техшчш умови Украши на в'яжуче та бетони на ocHoei горших порщ. Результата дослщжень впроваджено на побудованому в 1993...95 pp. завод! ВО "Домобудавельник" (м. Лисичанськ).

Юпочов1 слова: вапняно-горигопородне в'яжуче, горщопородний бетон, автоклавування, ф1-зико-мехашчш i експлуатацшш властивосп.

ABSTRAKT

Nazarova A.V. Autoclave Concrete on the Base of Coal Mining Rock. - Manuscript.

The dissertation for a degree of candidate of technical sciences in speciality 05.23.05. - Building materials and products. - Donbass State Academy of Civil Engineering and Architecture, Makeyevka, 2000.

The thesis is devoted to solving of an actual problem - theoretical and experimental substantiation of deriving burnt coal mining rock concrete approaching on the quality to traditional autoclave silicate concrete, by an ascertaining of regularities its microstructure formation, introduced by binder on the basis of lime and coal mining rock. The composition and properties of coal mining rock have been investigated. The compositions of binder on the base of lime and, dense and porous concrete are experimentally-statistically optimised, their physical-mechanical as well as operation properties are investigated. The technical specifications of Ukraine on binder and concrete on the basis of coal mining rock are introduced. The results of researches are introduced at the factory, constructed in 1993-95 years.

Key words: lime-and-coal mine rock binder, coal mine rock concrete, autoclaving, phys mechanical and exploitation properties.