автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Карбонатношлаковые композиционные строительные материалы

На правах рукописи

Викторова Ольга Леонидовна

КАРБОНАТНОШЛАКОВЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель:

советник РААСН, доктор технических наук, профессор В.И. Калашников

Научный консультант:

кандидат технических наук, профессор A.M. Береговой

ПЕНЗА 1998

Оглавление

, Введение.....................................................................................5

Глава 1. Теоретические предпосылки активации твердения карбонатношлаковых композиций для производства строительных материалов.....................................10

1.1. Формирование прочности прессованных шлаковых и карбонатно-шлаковых композиций в стесненных условиях при высокой молярности растворов щелочных активизаторов....................10

1.2. Теоретические предпосылки высокой поверхностной реакционной активности карбонатов и формирования прочности карбонатноцементных и карбонатношлаковых вяжущих......................21

1.3. Цель и задачи исследования.....................................................27

Глава 2. Характеристика исходных материалов и методы исследования.......................................................................28

2.1. Исходные сырьевые материалы для карбонатношлаковых композиций и их характеристики..............................................................28

2.2. Методы оценки гидравлической активности шлаков.....30

2.3. Методы подготовки, приготовления и формования карбонатношлаковых смесей............................................................................33

2.4. Методы исследования технологических, физико-технических свойств и структурного анализа.................................................................34

Глава 3. Исследование процессов твердения карбонатношлаковых вяжущих, активизированных щелочами и щелочными солями..........................................................................42

3.1. Кинетические особенности твердения активизированных и неактивизированных шлаков и их композиций при различном водосодержании.............................................................................................42

3.2. Изучение роли суперпластификатора в формировании прочности карбонатношлаковых композиций.........................................51

3.3. Рентгенофазовый анализ карбонатношлаковых систем......60

3.4. Формирование прочности карбонатношлаковых композиций в зависимости от степени наполнения, различной дисперсности; оптимизация состава по уравнению прочности.......................................66

3.5. Предполагаемый механизм формирования высоконапол-ненных шлаковых композиций исходя из топологических условий структурообразования..................................................................................74

3.6. Кинетические особенности нарастания прочности карбонатношлаковых композиций в зависимости от вида активизатора......83

3.7. Выводы по главе........................................................................88

Глава 4. Физико-механические свойства карбонатношлаковых

вяжущих и мелкозернистых композиций на их основе...........................90

4.1. Определение адгезионной прочности сцепления шлакового вяжущего с кварцевой и известняковой подложках................................90

4.2. Формирование прочности прессованного карбонатношлакового вяжущего в нормальных условиях и при тепловой обработке...................................................................................91

4.3. Влияние давления прессования на физико-технические свойства карбонатно-шлакового вяжущего и мелкозернистого бетона

на его основе...................................................................................................94

4.4. Влияние мелкого заполнителя на формирование прочности мелкозернистого бетона...............................................................................101

4.5. Теплопроводность карбонатношлаковых материалов.......105

4.6. Выводы по главе......................................................................112

Глава 5. Гигрометрические и усадочные свойства, морозостойкость и долговечность карбонатношлаковых композиций......................................................................................114

5.1. Качественные показатели пористости, сорбционное увлажнение и водопоглощение карбонатношлаковых композиций.... 114

5.2. Кинетика усадки карбонатношлаковых вяжущих и мелкозернистых бетонов на их основе. Оптимизация состава малоусадочных материалов......................................................................123

5.3. Морозостойкость карбонатношлаковых композиций. Оптимизация содержания и вида мелкозернистого наполнителя по значениям морозостойкости...................................................................128

5.4. Оценка долговечности карбонатношлаковых композиций. 134

5.5. Выводы по главе......................................................................145

Глава 6. Производственные испытания и технико-экономическая эффективность производства карбонатношлаковых композиционных строительных материалов........147

6.1. Варианты технологической схемы и производственные испытания....................................................................................................147

6.2. Технико-экономическая эффективность..............................150

6.2. Выводы по главе......................................................................154

Основные выводы................................................................155

Литература............................................................................157

Приложения...........................................................................174

Введение

Удорожание всех видов природных ресурсов, производимой энергии, стоимости труда, ухудшения экологической обстановки наряду с большим объемом накопившихся техногенных отходов и неиспользованных отходов карьерных разработок нерудных пород, поставило в ряд первостепенных и актуальных задач применения безотходных технологий с сохранением чистоты окружающей среды, экономии энергоресурсов, уменьшение транспортных расходов.

Решение таких задач должно строиться на основе использования экологически чистых мало энергоемких технологий, исключающих сушку сырьевых материалов и обжиг изделий с сопутствующими выбросами газовых смесей и использование местных сырьевых природных материалов. Особо актуально в наше время становится разработка ресурсосберегающих технологий, не требующих кардинальной реконструкции предприятий строительной индустрии. В этой связи использование техногенных отходов, таких как золы, шлаки, минеральные пыли газоочистки, и дешевых местных сырьевых материалов и создание на их основе новых строительных материалов является актуальным.

Около 45% всех эксплуатируемых месторождений промышленности нерудных строительных материалов приходится на долю карбонатных пород. Опыт развитых стран свидетельствует, что известняковые породы, в частности мелкозернистые отходы дробления известняков, широко используются в различных отраслях промышленности. При добыче карбонатных пород примерно 30^35% образуется карбонатных отсевов. В связи со спадом производства извести, цемента, сельскохозяйственного производства потребление этих отходов снизилось более чем на 60%, что способствует большому накоплению карбонатных отсевов в отвалах. Карбонатные отходы имеют пониженную энергоемкость на помол, так как фракции 0ч-5 мм. содержат около 40 % тонкодисперсных частиц. Химическая и кристаллографическая природа из-

вестняка предопределяет возможность их комбинирования со многими вяжущими веществами. Однако сочетание их со шлаком не исследовано.

В конце 50-х годов нашего столетия были открыты гидравлические вяжущие свойства у соединений щелочных металлов: лития, натрия, калия, рубидия, цезия, на основе которых разработаны щелочные и щелочноземельные вяжущие. Частным случаем таких вяжущих явились шлакощелочные цементы. Использование бетонов на шлакощел очных цементах позволяет повысить марку цементов, а также расширить диапазон заполнителей, снизить расход топлива, энергии, транспортных средств. В конце 60-х годов в КИСИ была предложена новая технология производства силикатных конструкций, на базе новых гидравлических вяжущих и бетонных смесей контактного твердения. В основу ее были положены способы производства изделий, позволяющие придавать им прочность и водостойкость в момент прессования. Это явление получило название эффекта упорядочивания структуры силикатных систем. Новый способ позволил не только принципиально изменить технологию синтеза бетонного камня, исключить опалубку из производства конструкции, но и предельно сократить время приобретения им водостойкости, максимально механизировать и автоматизировать производство. Технология получения бетонов контактного твердения открывает неограниченные возможности для совершенствования производства строительных конструкций, а также для расширения сырьевой базы строительства за счет использования местных дисперсных грунтов, силикатных и щелочных отходов промышленности.

Композиционное вяжущее на основе молотых шлаков и карбонатных пород, способное образовывать твердеющие структуры при их активации, позволяет удешевить производство строительных материалов: стеновых блоков, кирпичей, облицовочных плиток. Исключение из технологической схемы некоторых энергоемких и экологически загрязненных процессов, расширение местной дешевой сырьевой базы приводит к экономии сырья, топливных ресурсов, электроэнергии и сохранению чистоты окружающей среды. Техноло-

гии, предложенные в данной работе, не требуют значительной реконструкции предприятий кирпичного производства и могут быть внедрены в широком масштабе.

Целью настоящих исследований является экспериментально-теоретическое обоснование направленного структурообразования карбонат-ношлаковых композиционных материалов, управление свойствами путем изменения технологических и рецептурных параметров и получение практических результатов по технологии изготовления материала.

На защиту выносятся:

• изученные кинетические особенности твердения активизированных и неактивизированных шлаков и карбонатношлаковых смесей при различном водосодержании в прессованных и вибропрессованных композициях в нормальных условиях и при тепловой обработке;

• результаты исследования роли суперпластификатора паре с карбонат-ношлаковым вяжущим при различных соотношениях компонентов вяжущего, для снижения содержания воды и понижении давления прессования;

• результаты исследования влияния давления прессования на пористость, прочность и кинетику нарастания ее во времени;

• выявленные зависимости кинетики твердения карбонатношлаковых материалов от вида и количества индивидуальных щелочных активизаторов и их смесей;

• математические модели составов карбонатношлакового вяжущего с оптимизацией состава при различном содержании активизатора, воды затво-рения, соотношениях компонентов и удельной поверхности карбонатного наполнителя;

• результаты исследования физико-технических свойств и долговечности карбонатношлаковых композиций.

Научная новизна работы:

• научно обоснована возможность и целесообразность использования карбонатных дисперсных пород в качестве активного компонента шлакокар-

бонатных вяжущих, исходя из самого большого разнообразия габитусов кристаллов и высокой поверхностной активности их граней в сравнении с другими минералами;

• теоретически обосновано и экспериментально подтверждено дополнительное упрочнение карбонатношлаковых материалов со щелочными карбонатами, каустифицируемыми в процессе твердения с образованием щелочи и кальцита, разработан механизм отвердевания материала;

• доказано сильное адгезионное взаимодействие поверхности известняка со шлаком с формированием высокой контактной прочности, превышающей сцепление с поверхностью кускового кварца;

• выявлены кинетические особенности твердения активизированных и неактивизированных карбонатношлаковых композиций и дано аналитическое описание скорости набора прочности во времени;

• исследовано влияние суперпластификатора С-3 на композиционную систему «шлак - известняк» в присутствии щелочи и установлена водореду-цирующая эффективность его в литых, виброуплотненных, вибропрессованных и прессованных композициях;

• разработаны математические модели и оптимизированы составы кар-бонатношлакового вяжущего и мелкозернистого бетона на его основе и исследованы комплекс физико-механических, гигрометрических свойств и долговечности новых материалов.

Практическое значение работы. Результаты диссертации позволяют организовать применение отсевов камнедробления карбонатных пород на щебень в производстве карбонатношлаковых стеновых изделий: кирпича, блоков, декоративных облицовочных плит. Применение подобных попутных продуктов промышленности расширяет сырьевую базу стройматериалов, решает экологические проблемы регионов.

Реализация работы. Результаты работы использованы при разработке рекомендаций по подбору оптимальных составов карбонатношлаковых ком-

позиций, и на их основе выпущена опытно промышленная партия безобжигового кирпича и отделочных плиток в филиале АО ПУС «Стройиндустрия».

, По результатам проведенных исследований опубликовано 12 печатных работ, получено положительное решения по заявке на изобретение. Результаты диссертационной работы докладывались на II и IV Международных научно-практических конференциях «Вопросы планировки и застройки городов» (1994, 1997 гг. г. Пенза); XXIX научно-технической конференции ПГАСА (1997 г., г. Пенза); на 3-х академических чтениях РААСН (1997 г., г. Саранск); на 4-х академических чтениях РААСН (1998 г., г. Пенза); международной научно-технической конференции (1998 г, г. Пенза); на всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы строительного материаловедения» (1998 г., г. Томск.); международной научно-практической конференции «Современное строительство» (1998 г, г. Пенза).

Работа выполнена на кафедре «Технологии бетонов, керамики и вяжущих» Пензенской государственной архитектурно-строительной академии в рамках межотраслевой научно-практической программы «Строительство».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 185 стр. машинописного текста, содержит 32 таблицы, 33 рисунка и список литературы из 165 наименований.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы, доктору технических наук, профессору Калашникову В.И., научному консультанту кандидату технических наук, профессору Береговому A.M., а также благодарит за большую помощь в проведении экспериментов кандидата технических наук, доцента Хвастунова B.JL, кандидата технических наук, старшего преподавателя Нестерова В.Ю.

Глава 1. Теоретические предпосылки активации твердения карбонатношлаковых композиций для производства строительных материалов

1.1. Формирование прочности прессованных шлаковых и карбонатношлаковых композиций в стесненных условиях при высокой мо-лярности растворов щелочных активизаторов

В нормальных условиях шлаки не проявляют ранней гидравлической активности и, чтобы эта активность проявилась необходимо ввести в гидра-тирующую систему сульфатные, щелочные или щелочноземельные компоненты [14,17,31,45,51]. Гидравлическая активность шлака зависит также от минералогического и фазового состава, дисперсного состояния.

В Киевском ИСИ в 70-х годах получила развитие теория термодинамического и термохимического синтеза твердого тела путем конденсации гидратирующихся дисперсных систем, включающих растворимые едкие щелочи. Что позволило объяснить гидравлические вяжущие свойства у соединений щелочных металлов, в частности лития, натрия и калия [114]. Разработаны теоретические основы технологии получения бетонов контактного твердения, что позволило существенно расширить сырьевую базу строительства за счет массового использования местных дисперсных грунтов, силикатных и щелочных отходов промышленности. Шлаки обладают скрытовяжущими свойствами, которые появляются у них под воздействием механических, химических, гидротермальных и гидравлических факторов [93].

1. Механическая активация - повышение дисперсности шлаков при помоле.

2. Химическая активация - введение в шлаковые вяжущие веществ, возбуждающих гидравлическую активность шлаков.

3. Гидротермальная активация - обработка во влажной среде при повышенной температуре и повышенном или атмосферном давлении.

4. Гидравлическая активация - углубление гидратационных процессов при ламинарном или турбулентном перемешивании шлаковых суспензий.

. Механическая активация шлака сводится к его тонкому измельчению до ¡5уд = 300-=-500 м2/кг. С увеличением дисперсности активность шлаков возрастает, это объясняется как увеличением поверхности контакта в системе «вяжущее - вода», так и аморфизацией инертных кристаллов, ускорением и повышением растворимости коллоидных фракций твердой фазы.

По данным [22,23,97], при увеличении удельной поверхности с 230 до 300 м /кг активность шлаковых вяжущих возрастает на 35-4-40%, с 430 до 550 м2/кг - на 30ч-40%. Согласно исследованиям Волженского A.B. увеличение дисперсности с 200 до 400 м кг приводит к активизации шлаковых вяжущих в l,5-f2 раза. Дальнейшее увели�