автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического кирпича, растворы и бетоны на их основе

На правах рукописи

Соколов Андрей Александрович

КОМПОЗИЦИОННЫЕ ШЛАКОЩЕЛОЧНЫЕ ВЯЖУЩИЕ С ДОБАВКАМИ МОЛОТОГО БОЯ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА, РАСТВОРЫ И БЕТОНЫ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань-2006

Работа выполнена в Казанском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент Н.Р. Хабибуллина

Официальные оппоненты:

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

кандидат технических наук, старший преподаватель Бирюлева Д.К.

Ведущая организация:

Ижевский государственный технический университет

Защита состоится «20» марта диссертационного совета ДМ 212.077.01

.2006 года в 14-00 на заседании в ауд. В-209_ Казанского

государственного архитектурно-строительного университета по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного архитектурно-строительного университета

Автореферат разослан «_

»

2006 г.

Отзывы на автореферат диссертации в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, д.1, Казанский государственный архитектурно-строительный университет, диссертационный совет ДМ 212.077.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ДМ 212.077.01. п

кандидат технических /

наук, доцент _A.M. Сулейманов

2-ООС А

Ъ7Ы

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В последнее десятилетие мировое сообщество пересмотрело стратегию дальнейшего развития земной цивилизации, выдвинув взамен доминировавшего направления безграничного «научно-технического прогресса» стратегию «устойчивого развития», основные критерии которой -ограничение потребления природных ресурсов, энергосбережение, защита окружающей среды. Эти же критерии являются базовыми и в стратегии развития строительного комплекса. Эти условия диктуют необходимость разработки вяжущих, производство которых по сравнению с производством портландцементов характеризуется меньшими потреблением энергетических и природных сырьевых ресурсов и объемами вредных выбросов в атмосферу. Одной из разновидностей таковых являются шлакощелочные вяжущие (ППЦВ), при производстве которых используются самые многотоннажные отходы промышленности, засоряющие и отравляющие окружающую среду. Их эффективность была доказана отечественными исследователями в период 70-х-90-х годов прошлого столетия школами Глуховского В.Д., НИИЖБ и другими. Осваивалось производство ШЩВ и бетонов (1ШЦБ) на их основе в различных городах бывшего СССР. К середине 90-х годов по ряду причин - отсутствие дефицита цемента, дефицита щелочных затворителей, повышенное высолообразование ПЛЦБ - их производство снизилось, а затем прекратилось. Резко снизились объемы разработок и исследований ШЩВ и бетонов на их основе. Повышающиеся в последнее время требования по ресурсо- и энергосбережению, охране окружающей среды в строительной отрасли, в том числе в производстве вяжущих и бетонов, делают актуальными наращивание исследований по разработке ТШЦВ и 1ШЦБ и развитие их производства. В последние 20 лет в нашей стране и за рубежом получили развитие разработки и производство композиционных минеральных вяжущих веществ - цементных, гипсовых, известковых и магнезиальных. Очевидно, что дальнейшее развитие науки и практики ШЩВ также должно идти в направлении разработок композиционных шлакощелочных вяжущих (КПДЦВ).

Анализ известных разработок показал возможность совмещения шлака в составе вяжущего с минеральными добавками алюмосиликатного состава природного и техногенного происхождения (золы, природные и дегидратированные глины, цеолиты и т.д.), которое обуславливает широкие перспективы получения различных видов КШЩВ. Производство КШЩВ особенно актуально для регионов, не имеющих собственного производства портландцемента, к которым относятся республики Татарстан, Чувашия, Удмуртия и некоторые области Российской Федерации. При их производстве является целесообразным использование в качестве минеральных добавок отходов строительной отрасли, утилизация которых становится все более актуальной задачей.

Одной из разновидностей многотоннажных отходов строительной отрасли является бой керамического кирпи^а^^щэдАедщр на кирпичных заводах и при сносе зданий. библиотека

Учет положительного опыта введения добавок необожженной и дегидратированной глин в ШЩВ. химического и минерального состава керамического кирпича явились основой выдвинутой в работе гипотезы о эффективности добавок молотого боя керамического кирпича (БКК) при получении композиционных шлакощелочных вяжущих

Цель работы. Разработка составов композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича, растворов и бетонов на их основе и исследование их свойств

Задачи исследований.

1 Установление зависимости свойств шлакощелочных вяжущих от удельной поверхности и гранулометрического состава шлаков Челябинского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов.

2 Исследование влияния добавок молотого боя керамического кирпича на свойства композиционного ШЩВ, свойства и структуру шлакощелочного камня, раствора и бетона на его основе.

3. Определение оптимального содержания добавок кирпичного боя и способа совмещения компонентов в составе композиционного шлакощелочного вяжущего.

4. Разработка рациональных составов бездобавочных и с добавками молотого боя керамического кирпича шлакощелочных вяжущих и бетонов на их основе.

5. Разработка проекта технических условий на композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического кирпича.

Научная новизна работы.

1. На основе выявленных закономерностей и установленных зависимостей свойств вяжущих, растворов и бетонов от вида и удельной поверхности молотых гранулированных доменных шлаков Челябинского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов, вида затворителей и содержания молотого боя керамического кирпича разработаны нормально-, быстро- и особобыстротвердеющие композиционные шлакощелочные вяжущие марок до М1200 и бетоны на их основе классов по прочности до В80, по морозостойкости до Р800 и по водонепроницаемости до \¥25.

2. Установлены закономерности и зависимости изменения нормальной густоты и сроков схватывания шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича, а также средней плотности, водопоглощения, прочности и кинетики твердения камня, растворов, водопроницаемость и морозостойкость бетонов на их основе от тонкости помола вяжущего, вида шлака и щелочного затворителя.

3. Показано, что введение добавок молотого боя керамического кирпича приводит к повышению степени гидратации и образованию более плотной и однородной тонкозернистой структуры и повышению прочности камня шлакощелочного вяжущего.

4. Установлены зависимости гранулометрического состава и содержания поверхностных зарядовых центров алюмосиликатной составляющих на прочность и сроки схватывания камня шлакощелочных вяжущих.

Практическая значимость:

- разработаны рациональные составы бездобавочных и композиционных t добавками молотого боя керамического кирпича нормально-, быстро- и особобыстротвердеющих шлакошелочных вяжущих марок от М400 до N41200 и бетонов классов от В20 до В80;

- разработан проект технических условий на композиционные шлакощелочные вяжушие с добавками молотого боя керамического кирпича.

Апробация работы. Резу тьтаты проведенных исследований докладывались на 55-57 Республиканских научно-технических конференциях (Казань - 20032005), на 5 Республиканской научно-практической конференции мотодых ученых и специалистов "Наука. Инновации Бизнес" (Казань - 2005) Резу тьтаты проветенных исстедований опубликованы в сборниках тру топ 57 PccrtyG шк (неких научно-технических конференции (Казань - 2003-2005) Всероссийской нау чно-к-хнической конференции Лктуан.ные вопросы сроше ibcrisa (Саранск 2003) \ Между наро той на; чно-ie v-ы^еекой конференции "AiTyaibHbie проб 1С мы с грои i е ibc ' ва и стоженной иппирии' ( Г\ ia -2004) [IIV лкатемическич чюнии РААСН «Современное о>. тяние и ii ept iie1 i ччы р i ;ни i и я t i pi ; иге н.ног о м пери a тоне илмя; (Г tvapa 2004) Между наротпои научно-мр^ыичесюй Ишернег конкуренции ' Про'мечы и "хк i и/кения с рои re ¡ьного ма'срна юве шния ' (Ье i оро i 200Ñ ^ Pttiiyотикажюи научио-праыической ьонфереьции мо юлы уче"ы» и спеииатисюв Нам а Инновации Бизнес" (Казань 200*>) II Всероссийской (Международной; конференции по бетону и железобетону 'Бетон и жедезобеюн цуш разьишя'' (Москва 2005) в Весгкике отделения строительных наук (Нижний Новгород. - 2004); в журнале Строитетьные материалы, (Москва - 2005, №3, №8).

Публикации. По результатам работы опубликовано 13 статей и тезисов докладов, поданы 2 заявки на выдачу патента

Работа выполнена в соответствии с планами фундаментальных и прикладных исследований отделения строительных наук РААСН. награждена дипломом как лучшая инновационная идея первого республиканского конкурса "50 лучших инновационных идей Республики Татарстан''.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из 5 глав, приложений и списка литературы, включающей ¡86 наименования. Основная часть работы изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков и 42 таблицы

Автор выражает благодарность за постоянное внимание и консультации члену корреспонденту РААСН, профессору Рахимову Равитю Зуфаровичу На защиту выносятся:

разработанные составы рядовых, высокопрочных, нормально-, быстро- и особобыстротвердеющих бездобавочных и композиционных шлакошелочных вяжущих, растворов и бетонов с добавками молотого боя керамического кирпича с повышенными эксплуатационными характеристиками на основе нейтральных и кислых шлаков соответственно Орско-Халиловско! о и

Челябинского металлургических комбинатов.

результаты исследований взаимосвязи удельной поверхности, гранулометрического состава и свойств шлакощелочных и композиционных шлакощелочных вяжущих;

- результаты исследований влияния добавок молотого боя керамического кирпича на свойства и структуру композиционных шлакощелочных вяжущих и бетонов на их основе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность и обосновывается необходимость проведения исследований по получению композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича, растворов и бетонов на их основе. Изложена новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен анализ состояния разработок по получению, применению и исследованию свойств КИПЦВ и бетонов на их основе.

Широкие исследования в части теоретических основ получения, модификации, изучения свойств, разработок технологии, составов, рекомендаций и технических условий по производству и применению ШЩВ и ШЩБ выполнены Гелеверой А.Г., Глуховским В.Д., Гончаровым H.H., Гоцом В.И., Жуковым P.C., Иващенко Ю.Г., Ильиным В.П., Кривенко П.В., Комоховым П.Г., Кононовым В.П., Македоном Н.Л., Матвиенко В.А., Мирзаевым Г.В., Мироненко A.B., Мухаметгалеевой С.П., Нестеровым В.Ю., Пашковым И.А., Петровой Т.М., Ракшой В.А., Романенко И.И., Ростовской Г.С., Рябовым Г.Г., Сикорским О.Н., Тимковичом В.Ю., Ямалдиновой Л.Ф. и другими. На основе этих исследований получены ШЩВ и бетоны на их основе с высокими физико-механическими и технико-экономическими показателями, имеющие широкую область применения.

Существенным резервом повышения физико-механических свойств ШЩВ является изменение удельной поверхности и гранулометрического состава апюмосиликатной составляющей. Проведенный анализ показал различия во мнениях относительно предельных значений удельной поверхности шлаков. А влияние гранулометрического состава молотых шлаков на свойства ШЩВ и бетонов на их основе практически не рассматривалось.

Эффективным способом регулирования свойств ШЩВ является их модификация минеральными добавками природного и техногенного происхождения. Исследованиям КИПЦВ с минеральными добавками посвящены работы Кривенко П.В., Пляшечниковой Т.В., Скурчинской Ж.В., Пушкаревой Е.К., Чурсина С.И., Чирковой В.В., Руновой Р.Ф., Королева В.А., Калашникова В.И., Хвастунова B.JI. и др. Введение различных добавок минерального происхождения (природные и обожженные глины, стекла, интрузивные и эффузивные горные породы и отходы производства, а также спеки и клинкерные вещества) позволяет наряду с получением КШЩВ с

комплексом заданных свойств, расширить сырьевую базу и решать экологические проблемы.

В число эффективных модификаторов 1ШЦВ входят глинистые, позволяющие повышать прочность и другие эксплуатационные характеристики. Показана эффективность добавки в 1ШЦВ необожженной глины до 15% и дегидратированной глины до 20%.Вместе с тем в известной литературе не выявлены исследования влияния на свойства 11ПЦВ добавок частично или полностью спеченного глинистого сырья. Однако химический, минеральный и фазовый состав обожженного до частичного спекания глинистого сырья позволяет выдвинуть предположение о эффективности добавок молотого боя керамического кирпича при получении К1ШЦВ.

Во второй главе представлены характеристики исходных материалов, принятых при исследованиях, и примененных методов исследований.

В работе использовались: нейтральные и кислые гранулированные шлаки соответственно Орско-Халиловского (ОХМК) и Челябинского (ЧМКУ) металлургических комбинатов; жидкое стекло и сода, соответствующие ГОСТ 13078-81 и ГОСТ 5100-85; бой керамического кирпича АО «Казанский КСМ» и ОАО «Арский кирпичный завод» и кирпичей, полученных при разборке кирпичных стен двух различных снесенных зданий.

Химический состав шлака ОХМК (в % по массе): БЮ2 - 39,30-40,02; СаО -40,00-42,02; А1203 - 8,22-10,40; МеО - 6,22-7,60; К20+К20 - 1,00-1,10; МпО -0,36-0,47; Р205 - 0,01-0,04; ЙОз - 0,46-0,53. Мо=0,958-1,001; Ма=0,205-0,265; Кк=1,399-1,466. Минеральный состав представлен минералом группы окерманита-геленита в количестве 8-10% и рентгеноаморфным веществом - 9290 %.

Химический состав шлака ЧМК (в % по массе): БЮг - 36,51-37,49; СаО -34,60-36,22; А1203 - 11,58-12,50; М§0 - 8,61-9,12; К20+1Ч20 - 1,59-1,70; МпО -0,50-0,61; Р205 - 0,01-0,03; 803 - 1,82-2,00. Мо=0,892-0,914; Ма=0,309-0,342; Кк=1,436-1,445. Минеральный состав представлен минералом группы окерманита-геленита в количестве 3-5% и стеклофазой - 97-95 %.

Принятые при исследованиях керамические кирпичи имели химические составы в которых содержание оксидов находилось в пределах (в % по массе): БЮ2 - 72,83-77,52; СаО - 1,67-2,89; А1203 - 9,27-12,94; Ре203 - 3,9-5,73; MgO -1,17-1,70; К20+Ы20 - 1,93-3,12; МпО - 0,06-0,09; 803 - 0,07-0,12. Минеральный состав их представлен кварцем - 42-74%, полевыми шпатами - 10-19%, гематитом - 2-6%, кристобалитом - 1-6%, в небольшом количестве присутствует рентгеноаморфное вещество.

В третьей главе приведены результаты исследований влияния на основные свойства и структуру шлакощелочного камня: вида, тонкости помола и гранулометрического состава шлаков; вида затворителя; содержания и способа введения добавок молотого боя керамического кирпича различного химического и минерального состава.

В начале исследований было изучено влияние способа введения молотого БКК - при совместном и раздельном помоле со шлаком на предел прочности камня вяжущего при сжатии. Исследования проводились при тонкости помола

шлака ОХМК без добавки и с добавками БКК до 300 м2/кг и затворении водными растворами жидкого стекла и соды.

На рис. 1 представлены данные этих испытаний для вяжущих, затворенных раствором жидкого стекла.

160

120

s

а

80

40

^—

1 - совместный помол,

2 - раздельный помол

0/100

20/80 40/60 60/40 80/20 соотношение компонентов (БКК/шлак), %

Рис. 1. Влияние способа помола компонентов шлакощелочного вяжущего на

прочность камня

Данные рис.1 показывают, что совместный помол шлака с добавками БКК является более эффективным. Прочность при сжатии камня полученных вяжущих на основе шлака ОХМК по сравнению с бездобавочным (при затворении тех и других жидким стеклом плотностью 1,3 г/см5) оказалась при содержании молотого БКК: 30% - более чем на 20%, со 108 у бездобавочного до 135 МПа, 60% - на уровне бездобавочного, 80% - равной 70 МПа. Аналогичная зависимость изменения прочности при сжатии от содержания молотого БКК установлена и для вяжущих, затворенных раствором соды, однако при меньших показателях прочности: у бездобавочного - 61,5 МПа; с добавками молотого БКК 30%, 60% и 80% соответственно 78,7; 65,5 и 40,2 МПа

Для установления оптимального соотношения между количеством добавки молотого БКК в КШЩВ на основе шлака ОХМК при затворении раствором жидкого стекла и удельной поверхностью вяжущего, обеспечивающих максимальную прочность, проведен эксперимент по методу рототабельного центрального композиционного планирования с двумя факторами - содержание молотого БКК и удельная поверхность вяжущего, в результате которого получена математическая модель:

- прочность на сжатие шлакощелочного камня (Ясж); RC)K (МПа) = 6,5284 + 4,0626Х, + 0,2189Х2 - 0,0553Х,Х2 - 0,001 IX,2 -0,00014Х22;

где: Х| содержание добавки молотого БКК, %;

Х2 - удельная поверхность КППЦВ, MV*t По полученному регрессионному уравнению была построена номограмма (рис. 2, из которой видно, что наибольшие значения прочности соответствуют составу с содержанием добавки молотого БКК в количестве 28 - 33 % от массы шлака и удельной поверхности КППЦВ 600 - 700 м2/кг.

I

700

600

500

400

20 25 30 35 40 Содержание добавки БКК, %

Рис. 2. Зависимость прочности на сжатие ППЦК (МПа) от содержания добавки молотого БКК и удельной поверхности КШ1ЦВ

Исследования влияния добавок молотого БКК принятых при исследованиях кирпичей на свойства К1ШЦВ показали, что отличия их по химическому и минеральному составам несущественно влияют на уровень и закономерности изменения свойств К1ШЦВ от содержания молотого БКК независимо от вида затворителя.

В работе приняты известные и новые обозначения разработанных ШЩВ: известные ТШЦВ0 - вяжущие без добавок; ШЩВ2 - вяжущие с добавкой 2% портландцементного клинкера; новые - ШЩВОДЗО, 1ШЦВ0Д60, ШЩВ0Д80 -композиционные вяжущие без добавки клинкера с добавками молотого БКК соответственно 30, 60, 80%, 1ШЦВ4Д30 - композиционные вяжущие с содержанием молотой минеральной добавки 30% и клинкера 4%.

В связи с тем, что наиболее высокие показатели прочности КИПЦВ достигаются при добавке 30% молотого БКК дальнейшие исследования свойств композиционного шлакощелочного вяжущего, растворов и бетонов проводились с использованием ШЩВОДЗО.

Установлены зависимости изменения свойств 1ШЦВ0 и ШЩВОДЗО от удельной поверхности в диапазоне 300-900 м2/кг. I Нормальная густота и сроки схватывания изменяются по

прямопропорциональной зависимости от тонкости помола шлаков без добавки и с добавкой. Нормальная густота ШЩВ0 увеличивается с 25-26% до 31-33%, а ( ППЦВОДЗО - с 26-27% до 33-35%. Сроки схватывания сокращаются, причем у

ШЩВОДЗО по сравнению с ШЩВ0 в большей степени, что, вероятно, связано с наличием аморфного кремнезема и полевых шпатов в составе БКК, способствующих ускорению структурообразования. При использовании жидкого стекла в ШЩВ и КППЦВ сроки схватывания не удовлетворяет нормативным требованиям. Введение от о, ? до 9 % тетрабората натрия обеспечивает получение ттт^в и КИПЦВ с удлиненными сроками схватывания, удовлетворяющими нормативным требованиям.

Исследования влияния удельной поверхности ИЛЦВО и ППЦВ0Д30 (на шлаке ОХМК) на прочность, среднюю плотность и водопоглощение камня после ТВО и 28 суток нормально-влажностного твердения, изготовленных с использованием жидкого стекла, показали, что зависимости этих свойств вяжущих от тонкости помола имеют экстремальный характер с максимальными значениями при удельной поверхности 600 м^кг (рис.3 и 4). Аналогичные характер изменения прочности, средней плотности и водопоглощения имеют ШЩВ и КШШВ на основе шлака ОХМК и соды, а также на шлаке ЧМК с применением жидкого стекла или соды.

р(1' = -0,01: 2Е-04х2 (-18,542 9Е-04Х4 1,4983

/]2[ В(4) "-0,013 = -0,013 3 -0.011 Е-04х2 'Е-04х ¡Е-04х ■ 16,824( • 16,950 14.930 Е-04х+ 1Е-04Х + Б-04х + 1,469^) 1,4890 1.4722

500 600 700 Тонкость ПОМОЛ8, м2/кг

500 600 700 800 Тонкость помоля,м /кг

1 - ШЩВ0 после ТВО; 2 - ШЩВОДЗО после ТВО; 3 - ШЩВО после 28 суток нормально-влажностного твердения; 4 - ШЩВОДЗО после 28 суток нормально-влажностного твердения

Рис. 3. Влияние удельной поверхности шлака ОХМК на свойства ШЩК, изготовленного на водном р-ре жидкого стекла р=1,3 г/см3, Мс=1,5: а) средняя плотность; б) водопоглощение.

«150

I

о?

Я(1 = -2,40! 5Е-04х2 -0,3102* + 37352 4

ггх;

[4^(2 шй = -1,915 = -2,478 - -2,064 5Е-04х2 5Е-04Х2 ¡Е-04Х2 •0,2493х •0,2902х 0.2569Х + 59,754 + 36,514 + 50.728 К У

500 600 700 Тонкость помоле, м2/кг

800

900

500 600 ,700 Тонкость помола, м/кг

1 - ШЩВО после ТВО; 2 - ШЩВОДЗО после ТВО; 3 - ШЩВО после 28 суток нормально-влажностного твердения; 4 - ШЩВОДЗО после 28 суток нормально-влажностного твердения

Рис. 4. Влияние удельной поверхности шлака ОХМК на прочность ШЩК, изготовленного на водном р-ре: а) жидкого стекла р=1,3 г/см3, Мс=1,5; б) соды р=1Д5 г/см3.

На рис. 5 приведены данные исследований влияния удельной поверхности ШЩВО и ШЩВОДЗО на прочность, среднюю плотность и водопоглощение камня,

изготовленных с использованием шлака ОХМК и жидкого стекла в зависимости от продолжительности твердения.

1 3 7 28

Продолжительность твердения; сут

2,040 "^2,000 |},960 §1,920 §1,880 |,840 и! ,800

1,760 б)

>У(2) = 0,0341Ьп(х) + 1,8293

\Ы(3) = 0,004И,п(х) + 1,8527

————ЕН

,---—^

И 1__ 1-ПН

г

ш т

\У(1)-0,00441л(х) + 1,8085 |

1 3 7 28

Продолжительность твердения, сут.

14,0

¥ X

110°

6."

W(l) = -0,4703Ln(x) +10,525

V 1 W(3) = -0,59641л(х) + 9,9882 \У(2) = -1,086би>(х) + 10,282 ,

■—щ—<

~ 1X1—1

14,0

= -0,5802Ьп(х) + 13,15 W(3) - -0,5708Ьл(х) + 12,335

1 3 7 28

в) Продолжительность твердения; сут.

1 3 7 28

Продолжительность твердения; сут.

—^ШТЛ 1

В^гТ^30ДО5ОЬп(х) + 32,1160

ЖЗ) 20,7220Ьп(х) + 51,5660

Я( 1) - 30,0647Ьп(х) + 7,4964

1 3 7

Продолжительность твердения, сут

1 3 7

Продолжительность твердения, сут.

28

а, в, д) 1ШЦВ0; б, г, е) 1ШЦВ0Д30

Рис. 5. Зависимости изменения прочности на сжатие, средней плотности и водопоглощения ШЩК, изготовленного с использованием шлака ОХМК и жидкого стекла от продолжительности твердения.

Изменения указанных свойств камня вяжущих 1ШЦВ0 и ИПЦВОДЗО описываются полулогарифмической зависимостью. С увеличением удельной поверхности возрастает прочность, средняя плотность и снижается водопоглощение. Наилучшими показателями по прочности, средней плотности

и водопоглощению обладает ШЩК в 1 и 3 суточном возрасте при 900 м2/кг, в 28 суточном возрасте при 600 м2/кг. Аналогичным образом изменяется прочность, средняя плотность и водопоглощение ШЩК на основе шлака ОХМК и соды, шлака ЧМК с применением жидкого стекла или соды.

Согласно результатам проведенных исследований, замена 30 % шлака добавкой молотого БКК, независимо от природы щелочного компонента, в начальный период твердения (до 7 суток) снижает интенсивность набора прочности, однако, в дальнейшем значения прочности сравниваются с

бездобавочными и к 28 суткам превышают прочность бездобавочного состава до 17,0 % при использовании шлака ОХМК и до 13,0% при использовании шлака ЧМК в зависимости от вида щелочного компонента.

Приведенные результаты позволили определить следующие величины оптимальной удельной поверхности 1ИЩВ0 и ШЩВОДЗО для получения рядовых видов - 300-350 м2/кг, высокопрочных и быстротвердеющих - 600-700 м2/кг, особобыстротвердеющих - 850-900 м2/кг.

Оптимальные значения удельной поверхности вяжущих с различной скоростью твердения связаны с гранулометрическим составом молотого шлака без добавки с добавкой.

Для обоснования выбора указанных значений и объяснения полученных зависимостей с помощью метода лазерной диспергации объекта исследовано изменение распределения размеров частиц шлака при увеличении удельной поверхности с 300 до 900 м /кг.

Из рис. 6 и 7 следует, что содержание фракции менее 5 мкм шлака ОХМК и ЧМК с увеличиваем удельной поверхности. Зависимости изменения содержания фракций 5-10,10-20 и 20-100 мкм имеют экстремальный характер.

Максимальное содержание фракции 5-10 мкм шлака ОХМК и ЧМК, содержится в пробе шлака с удельной поверхностью 600-700 м2/кг. Содержание фракции 10-20 мкм имеет наибольшее значение при удельной поверхности 500 м2/кг шлака ОХМК и ЧМК. Содержание фракций 20-100 мкм шлаков ОХМК и ЧМК уменьшается с увеличением тонкости помола и минимальное ее содержание имеется в пробах шлаков с удельной поверхностью

Диаметр частиц, мкм

ш юо Диаметр частиц, мкм

1 - 300 м2/кг; 2 - 700 м7кг; 3 - 900 м2/кг

Рис. 6. Дифференциальные кривые гранулометрического состава шлаков:

арХМК; б)ЧМК

Тонкость помола, м /кг

500 600 700 800 Тонкость помола, ь^/кг

1 - 0-5 мкм, 2-5-10 мкм; 3 -10-20 мкм; 4 - 20-100 мкм

Рис. 7. Фракционный состав в зависимости от удельной поверхности шлаков:

а)ОХМК; б)ЧМК.

600-700 м2/кг. При повышении удельной поверхности более 600-700 м2/кг количество этой фракции увеличивается, что, вероятно, связано с агрегированием мелких частиц, приводящем к нарушению оптимального соотношения фракций и ухудшению физико-механических характеристик ШЩК.

Из полученных результатов следует, что величине пороговой удельной поверхности, обеспечивающей получение ИЛЦК с наилучшими показателями по прочности, средней плотности и водопоглощения, соответствует оптимальный гранулометрический состав шлаков ОХМК и ЧМК, при котором содержание частиц размером 5-10 мкм и 20-100 мкм имеет экстремальное значение - 18,9-22,2% и 14,0-19,0% соответственно.

Скорость и глубина протекания реакций на границе раздела шлак-затворитель зависят и от количества функциональных групп (активных центров) на поверхности шлака, закономерно увеличивающегося с повышением тонкости помола шлака. Результаты количественно определения содержания поверхностно-активных центров шлаков с удельной поверхностью 600 м2/кг, проведенного методом спектрофотометрического анализа, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Влияние удельной поверхности шлака и содержания поверхностных

8уд. Количество зарядовых центров Прочность на сжатие ШЩК

отриц. [ОН-,СОэ2-, (8Ю4)4', (А104)4"и др-1 положит. [Ыа+,К+,Са2+,Мё2+ и др.] общее на соде на жидком стекле

м2/кг отн. ед. отн. ед. отн. ед./% МПа/% МПа/%

300 16,0 19,0 35.0 100.0 61.5 100.0 108,9 100.0

700 12,6 . . ......... 29,5 42.0 120.0 74.5 121.0 137,5 126,0

Общее число поверхностных зарядовых центров увеличивается с 35 до 42 отн. ед., при этом число отрицательных уменьшается с 16,0 до 12,6 отн. ед., а положительные 19,0 до 29,5 отн. ед.

В табл. 2 представлены фракционные составы, обеспечивающие получение ШЩК с максимальными физико-механическими характеристиками в различные сроки твердения.

Таблица 2

Фракционные составы шлаков, обеспечивающие максимальные физико-механические характеристики ШЩК в различные сроки твердения_

Продолжительность твердения (сут) Содержание фракций (мкм) шлаков ОХМК/ЧМК (%)

5 5-10 10-20 20-50 50

1 иЗ 46,7/47,2 18,1/15,3 18,4/17,8 15,3/17,4 1,5/2,3

7 37,3/45,6 22,2/18,9 25,0/20,9 15,1/14,0 0,4/0,6

28 32,5/40,8 21,2/18,9 27,3/23,3 19,0/17,0 0

Согласно приведенным данным, прочность, средняя плотность и водопоглощение ШЩК в 1 и 3 суточном возрасте независимо от вида шлака и щелочного компонента в значительной степени зависят от содержания фракций менее 5 мкм, в 7 суточном - 5-10 и 10-20 мкм, 28 суточном - 10-20 и 20-50 мкм (табл. 2).

В табл. 3 представлены данные по гранулометрическому составу шлака с добавками молотого БКК.

Таблица 3

Гранулометрический состав шлака без добавки и с добавкой молотого БКК в зависимости от удельной поверхности шлака

№ Буд. шлака, м2/кг БКК, % Содержание частиц в молотом шлаке, % по массе

<1мкм <5мкм <10мкм <20мкм <50мкм <100мкм

1 300 - 4,24 17,87 32,30 57,81 92,52 100

2 500 30 6,27 27,24 42,88 70,08 99,53 100

3 600 60 7,48 32,18 48,98 75,30 99,44 100

Согласно данным, представленным в табл. 3, введение 30% добавки молотого БКК (состав 2) способствует увеличению содержания фракции < 1 мкм на 2,03%, фракции < 5 мкм - на 9,37%, фракции <10 мкм - на 10,58 %, фракции < 20 мкм - на 12,27 %, фракции < 50 мкм - на 7,01% по сравнению с бездобавочным. Введение 60% добавки БКК (состав 3) приводит к

увеличению содержания фракции < 1 мкм на 3,24%, фракция < 5 мкм -на 14,31%, фракция < 10 мкм на 16,68 %, фракция < 20 мкм на 12,27 % фракция <50 мкм - на 17,49%, по сравнению с бездобавочным. Полученный эффект, вероятно, связан с тем, что более мягкий БКК размалывается в первую очередь и оказывается измельченным более тонко по сравнению со шлаком, что подтверждается более низкой активностью ШЩВ с добавкой молотого БКК в ранние сроки твердения.

Исследования влияния добавки БКК на продолжительность помола вяжущих (табл. 4) показали, что КШЩВ отличаются от бездобавочных меньшей продолжительностью помола, а следовательно и меньшей энергоемкостью.

Таблица 4

Влияние содержания добавки БКК на время помола шлака ОХМК

Состав ШЩВ, % Время помола, сек

Шлак БКК 300-350 м*/кг 600-700 м2/кг 850-900 м2/кг

100 - 100 300 600

70 30 60 130 170

40 60 50 65 150

20 80 40 50 130

- 100 30 80 120

С целью установления механизма действия молотого БКК в составе КШЩВ приведены исследования минерального и фазового состава, микроструктуры ШЩК на основе бездобавочного и с добавкой вяжущих. Исследования проводились на образцах НПЦК полученных затворением вяжущих на основе шлака ОХМК раствором соды. РФ А образцов ШЩК, подвергнутых ТВО в течении 500 ч показали, что значительная часть продуктов твердения представлена рентгеноаморфной фазой, а новообразованиями камня является кальцит и тоберморит. Это объясняется тем, что при затворении ШЩВ содой начальный этап взаимодействия компонентов на уровне катионнообменных процессов сопровождается образованием кристаллического кальцита, а затем уже образующийся едкий натр растворяет стеклофазу шлака и процесс завершается возникновением щелочного гидроалюмосиликатного геля и субмикрокристаллических гидросиликатов кальция на более поздних этапах.

Результаты электронномикроскопических исследований показывают, что в присутствии добавки молотого БКК формируется более тонкозернистая, однородная и плотная структура искусственного ШЩК (рис.8).

С одной стороны, как показано Глуховским В.Д., морфологические гидратные соединения или безводные минералы, такие как полевые шпаты, ускоряют выделение вторичных фаз (щелочных и щелочноземельных гидроалюмосиликатов), образующихся преимущественно в поровом пространстве и, заполняя его, способствуют возникновению прочных

кристаиизационных контактов с первичными фазами, обуславливая формирование более однородной и плотной структуры ШЩК. Вместе с этим, вероятно, при геретогенном зарождении новообразований в прису гствии крентов. в данном случае добавок молотого БКК, понижается энергия кристаллизации и размер зерен новообразованной фазы уменьшается При этом тонкозернистая структура модифицированного искусственного камня, обеспечивающая гашение внутренних напряжений при структурообразовании и более высокую устойчивость к взаимодействию внешних напряжений, предопределяет ботее высокую прочность камня на КШЩВ по сравнению с контрольным составом.

Рис. 8. Данные электронномикроскопического анализа образцов, содержащих

а) 100 % гранулированного доменного шлака;

б) 70 % фану .тированного доменного шлака и 30 % молотого БКК.

На основе результатов приведенных в главе 3 исследований разработаны рядовые, высокопрочные, нормально-, быстро- и особобыстротвердеюшие составы бездобавочных и с 30% добавками молотого БКК ШЩВ на основе нейтрального и кислого шлаков Орско-Халиловского и Челябинского металлургических комбинатов, с использованием в качестве затворителей водных растворов соды и жидкого стекла.

В четвертой главе представлены результаты исследований свойств шлакошелочных растворов в зависимости от вида шлака, тонкости помола вяжущего, вида затворителя и содержания добавок молотого боя керамического кирпича.

Изменения прочности. средней плотности и водопоглощения шлакощелочного раствора в зависимости от тонкости помола ШЩВО и ШЩВ0Д30 в диапазоне от 300 до 900 м:/кг, вида шлака, затворителя и условий

твердения описывается зависимостями, подобным описывающим изменения свойств ШЩК.

На основании выявленных закономерностей и установленных зависимостей изменения свойств строительных растворов от тонкости помола шлака бездобавочного и с добавкой молотого БКК шлакощелочного вяжущего, вида шлака, щелочного компонента, условий и продолжительности твердения разработаны рациональные составы шлакощелочных растворов: рядовые с марками менее М500; высокопрочные с марками от М500 до М1200, особобыстротвердеющие с марками в 1 суточном возрасте от М100 до М500, 3 суточном - от МЗОО до М700.

В пятой главе приведены результаты исследований средней плотности, водопоглощения, прочности морозостойкости и водонепроницаемости 1ШЦБ в зависимости от вида шлака, тонкости помола вяжущего, вида затворителя и содержания добавок молотого БКК.

Исследования влияния удельной поверхности 1ШЦВ0 и ППЦВ0Д30 в диапазоне 300-900 м2/кг, вида шлака, щелочного компонента, условий и продолжительности твердения на прочность, среднюю плотность и водопоглощение ШЩБ показали, что изменения этих показателей характеризуются аналогичными закономерностями их изменения у ППЦК и

ППЦР.

Результаты исследований влияния удельной поверхности шлаков ОХМК и ЧМК с 30 % добавкой БКК и без нее в диапазоне 300-900 м2/кг показали возможность получения ППЦБ при использовании в качестве щелочного компонента водного раствора жидкого стекла с прочностью до М1100, морозостойкостью Р800-Р500, водонепроницаемостью W25-W15; при использовании соды - Р600-Р400 и \V15-W10.

Содержащийся в составе БКК аморфный кремнезем и глинозем взаимодействует с щелочами с образованием водостойких продуктов. В результате проведенных исследований с помощью спектрофотометрического анализа выявлено положительное влияние добавок молотого боя керамического кирпича на уровень высолообразования КППЦВ. В присутствии добавки молотого БКК содержание свободной щелочи снижается на 18,1 % по сравнению с бездобавочным.

В результате проведенных исследований разработаны рациональные составы рядовых, высокопрочных и особобыстротвердеющих бездобавочных и с добавками молотого боя керамического кирпича ППЦБ классов по прочности от В20 до В80, марок по морозостойкости от РЗОО до Б800 и по водонепроницаемости \V10-W25 (табл.5).

Разработаны технические условия на К1ШЦВ с добавками молотого БКК, рассчитана экономическая эффективность разработанных вяжущих.

Таблица 5

Составы шлакощелочных бетонов _

Вид № Состав Буд Класс бетона F W Прочность ШЩБ (МПа) в зависимости от продолжительности и условий твердения

Затворитель содержание

Вид V, л/м3 вид шлак БКК м /кг 1 сут 3 сут 28 сут тво

В * жидкое стекло р=1,3 г/см5 Мс=1,5 120 ОХМК 100 - 300350 В50 S00 25 15,0 М100 34,6 МЗОО 74,1 М700 75,8 М700

В 1 125 70 30 В55 600 20 - 0 12,1 мюо 82,1 М800 85,3 М800

О 2 125 100 - 600700 В70 600 20 26,2 М200 56,1 М500 96,2 М900 102,1 М1000

В 3 130 70 30 В80 500 15 20,0 М200 38,1 МЗОО 106,1 МЮ00 112,2 М1Ю0

О 4 130 100 - 850900 В55 500 15 43,4 М400 60,8 М600 81,4 М800 80,6 М800

О 5 135 70 30 В60 400 15 38,6 М400 54,2 М500 88,9 М800 92,1 М900

р ** сода р= 1,15 г/см3 110 100 - 300350 В20 600 20 - 0 "0 0 ~ о" 32,8 МЗОО 34,1 МЗОО

р 6 115 70 30 В20 500 15 - 39,7 МЗОО 39,2 МЗОО

Б 7 115 100 - 600700 В25 500 15 11,4 мюо 20,3 М200 42,5 М400 44,6 М400

Б 8 120 70 30 ВЗО 400 10 - 0 16,2 МЮО 50,4 М500 50,6 М500

О 9 120 100 - 850900 В20 400 10 26,5 М200 34,3 МЗОО 34,2 МЗОО 38,3 МЗОО

Б 10 125 70 30 В25 300 10 18,5 МЮО 31,5 мзоо 42,1 М400 41,3 М400

В *** жидкое стекло р=1,3 г/см3 Мс=1,5 125 ЧМК 100 - 300350 В40 800 25 - 0 28,2 M200 68,2 М600 69,1 М600

В 11 130 70 30 В55 600 20 - 0 10,0 мюо 75,2 М700 78,6 М800

В 12 130 100 - 600700 В60 600 20 13,9 мюо 34,1 мзоо 87,7 М800 92,5 М900

В 13 135 70 30 В70 500 15 12,2 мюо 29,8 М200 96,3 М900 103,4 М1000

О 14 135 100 - 850900 В50 500 15 38,2 мзоо 52,5 М500 73,0 М700 74,8 М700

О 15 140 70 30 В60 400 15 34,2 мзоо 48,2 М400 82,5 М800 85,1 М900

Р **♦* сода р=1,15 г/см3 115 100 - 300350 В20 600 20 0 - 0 31,4 МЗОО 35,6 МЗОО

Р 16 120 70 30 В20 500 15 - 0 - 0 39,8 МЗОО 39,4 МЗОО

Р 17 120 100 - 600700 В25 500 15 - 0 13,5 МЮО 42,4 М400 46,3 М400

В 18 125 70 30 ВЗО 400 10 - 0 10,2 МЮО 50,1 М500 50,3 М500

Б 19 125 100 - 850900 В20 400 10 12,6 мюо 20,2 М200 34,5 МЗОО 39,4 МЗОО

Б 20 130 70 30 В25 300 10 - 0 21,2 М200 42,3 М400 41,6 М400

Примечание: 1) состав бетонной смеси: Шлак : Песок : Щебень=1 : 1,15 : 3,4;

2)вид бетона- "Р "-рядовой; "В"- высокопрочный; "Б"- быстротвердеющий; "О"- особобыстротвердеющий.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основе выявленных закономерностей и установленных зависимостей свойств вяжущих, растворов и бетонов от вида и удельной поверхности молотых гранулированных доменных шлаков Челябинского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов, вида затворителей и содержания молотого боя керамического кирпича разработаны нормально-быстро- и особобыстротвердеющие композиционные шлакощелочные вяжущие марок до 1200 и бетоны на их основе классов по прочности до В80, по морозостойкости до F800 и по водонепроницаемости до W25.

3. Показано, что введение добавок молотого боя керамического кирпича до 30 % позволяет повысить прочность шлакощелочных вяжущих до 30-32 %, а до 60 % - равнопрочные с бездобавочными составами.

4. Установлены зависимости гранулометрического состава и содержания поверхностных зарядовых центров шлака от тонкости его помола.

5. Показано, что введение 30% добавок молотого боя керамического кирпича приводит к повышению степени гидратации и образованию более плотной и однородной тонкозернистой структурой.

6. Показано, что продолжительность помола до 600 м2/кг композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками 30%, 60% и 80% молотого боя керамического кирпича соответственно в 1,3 раза больше, 1,5 и 2 раза меньше, чем продолжительность помола бездобавочного до удельной поверхности 300 м2/кг.

7. Выявлено, что бетоны на основе композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича имеют пониженный уровень высолообразования по сравнению с бетонами на бездобавочном шлакощелочном вяжущем.

8. Разработан проект технических условий на композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического кирпича.

9. Расчетная стоимость композиционного шлакощелочного вяжущего ниже стоимости портландцемента от 30 % до 3 раз в зависимости от марки вяжущего и вида затворителя.

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:

1. Соколов A.A., Хабибуллина Н. Р. Разработка шлакощелочных вяжущих на основе доменного шлака Орско-Халиловского металлургического комбината. // Сб. науч. тр. асп. 55-й республиканской научно-технической конференции. -Казань. -КГАСА. -2003. -с.78-83.

2. Соколов А. А., Хабибуллина Н. Р., Рахимов Р. 3. Шлакощелочные вяжущие и бетоны в строительстве // Актуальные вопросы строительства. Вторые Соломатовские чтения: Материалы Всерос. науч.-техн. конф. Мордовский государственный университет. - Саранск. -2003. -с.144-148.

aoofcA

* - 3 7 6 Г

3. Соколов A.A., Хабибуллина Н. Р., Рахимов Р. 3. О влиянии дисперсности молотого шлака Орско-Халиловского металлургического комбината на свойства шлакощелочных вяжущих. // Вестник ВРО РААСН, выпуск 7. -Нижний Новгород, -2004. - с. 149-151. ,

4. Рахимов М.М., Соколов. A.A., Хабибуллина Н. Р., Рахимов Р. 3. Шлакощелочные вяжущие с добавками цеолитсодержащих пород // Вестник ВРО РААСН, выпуск 7. -Нижний Новгород,-2004. - с. 145-148.

5. Соколов. A.A., Хабибуллина Н. Р., Рахимов Р. 3.0 влиянии вида шлака на свойства шлакощелочных вяжущих // Сб. мат. V Международной науч.-тех.

конф. "Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии". -Тула. - t 2004. -с.76-77. 1

6. Соколов A.A., Хабибуллина Н. Р. Влияние дисперсности молотого доменного шлака на свойства шлакощелочных вяжущих. // Сб. науч. тр. асп. 56-й республиканской научно-технической конференции. -Казань. -КГАСА. -2004. - | с.116-121.

7 Соколов А. А., Хабибуллина Н. Р., Рахимов Р. 3 Шлакощелочные вяжущие на основе отхода травления алюминия // Вестник ВРО РААСН, выпуск 8. -Самара, -2004. - с. 345-348.

8. Рахимов Р. 3., Гатауллин Р.Ф., Хабибуллина Н. Р., Соколов А. А. Композиционные шлакощелочные вяжущие в современном строительстве // Сб. материалов 5-й Республиканская научно- практической конференции молодых ученых и специалистов "Наука. Инновации. Бизнес". -Казань. -2005. -с. 148-149.

9. Соколов А. А., Хабибуллина Н. Р., Рахимов Р. 3. Исследование влияния удельной поверхности и гранулометрического состава шлака на свойства шлакощелочных вяжущих // Сб. докладов Международной научно-практической Интернет-конференции "Строительное материаловедение" -Белгород, -2005. -с.216-219.

10. Рахимов Р. 3., Хабибуллина Н. Р., Гатауллин Р.Ф.Соколов А. А., Рахимов М.М. Композиционные шлакощелочные вяжущие // Строительные материалы, 2005, №3, с.30-32.

11. Рахимов Р. 3., Хабибуллина Н. Р., Рахимов М.М., Соколов А. А., Гатауллин Р.Ф. Бетоны на основе композиционных шлакощелочных вяжущих // Строительные материалы, 2005, №8, с. 16-20.

12. Рахимов Р. 3., Хабибуллина Н. Р., Рахимов М.М., Соколов А. А., Гатауллин Р.Ф. Бетоны на основе композиционных шлакощелочных вяжущих // II Всероссийская (международная конференция по бетону и железобетону "Бетон и железобетон - пути развития" -Москва. -2005. с.380-384.

13. Соколов A.A., Хабибуллина Н. Р. Влияние удельной поверхности и j гранулометрического состава гранулированного доменного шлака Орско- ^ Халиловского металлургического комбината на свойства ШЩВ // Сб. науч. тр.

асп. 57-й республиканской научно-технической конференции. -Казань. -КГАСА. -2005.-С.147-154.

Подписано к печати «1^»02.2006 г. Формат 60x84/16 Печать RISO Объем 1,2 п.л. Заказ № 115 Тираж 100 экз.

ПМО КГАСУ 420043, Казань, ул. Зеленая, 1

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК ПО ПОЛУЧЕНИЮ, ПРИМЕНЕНИЮ И ИССЛЕДОВАНИЮ СВОЙСТВ ШЛАКОЩЕЛОЧНЫХ ВЯЖУЩИХ И БЕТОНОВ НА ИХ ОСНОВЕ

1.1. Шлакощелочные вяжущие и бетоны, составы, свойства, применение

1.2. Роль удельной поверхности и гранулометрического состава минеральных вяжущих веществ в формировании их свойств

1.2.1. Влияние удельной поверхности и гранулометрического состава шлака на свойства 1ШЦВ

1.2.1.1. Влияние удельной поверхности шлаков на свойства ШЩВ в зависимости от модуля основности шлака и вида щелочного компонента

1.2.1.2. Влияние гранулометрического состава шлаков на свойства ШЩВ

1.3. Шлакощелочные вяжущие с минеральными добавками природного и техногенного происхождения

1.4. Шлакощелочные вяжущие с добавками природных и дегидратированных глин

В последнее десятилетие мировое сообщество пересмотрело стратегию дальнейшего развития земной цивилизации, выдвинув взамен доминировавшего направления безграничного "научно-технического прогресса" стратегию "устойчивого развития", основные критерии которой -ограничение потребления природных ресурсов, энергосбережение, защита окружающей среды [1]. Эти же критерии являются базовыми и в стратегии развития строительного комплекса [2, 3]. В "Стратегии развития строительного комплекса Российской Федерации на период до 2010 г."[4] ставятся задачи рационального использования мировых природных ресурсов и вовлечения в производство техногенных отходов различных отраслей промышленности, замещения на 20 - 30 % природного сырья производственными и бытовыми отходами в производстве строительных материалов. Вопросы эффективности и экологические аспекты использования отходов промышленности в производстве строительных материалов нашли широкое отражение в исследованиях большинства НИИ и вузов строительного профиля [5-8 и др.]. Вместе с тем состояние использования отходов промышленности в производстве строительных материалов нельзя назвать удовлетворительным. Наиболее крупные по объемам в отвалах, занимающих десятки тысяч гектаров земли, скопились шлаки металлургической промышленности и золошлаки ТЭС. Только в отвалах металлургических комбинатов Урала и Сибири скопилось более 450 млн.т доменных шлаков. Ежегодный выход каждого их них составляет более 30 млн. т. И, если в других технически развитых странах объемы утилизации ежегодных отходов промышленности достигают 80-90 %, то в нашей стране этот показатель не превышает 10 - 15 %. Металлургические шлаки используют в качестве заполнителей для бетонов, материалов для отсыпки дорог, в производстве шлакопортландцемента. Металлургические, в частности, доменные шлаки представляют ценность как сырьевой компонент в производстве минеральных вяжущих веществ - шлакопортландцемента, известково-шлаковых, гипсоизвестковошлаковых, сульфатношлаковых, шлакощелочных. Производство шлакопортландцемента, в котором доменный шлак используется в значительных объемах, в нашей стране в последние годы существенно снизилось по объемам в связи с возросшей потребностью в бездобавочных цементах. Производство портландцемента представляет собой весьма энергоемкий процесс, сопровождающийся высокими объемами выбросов углекислого газа в атмосферу. С ростом цен на энергоресурсы систематически растут цены на портландцемент и его разновидности.

В этих условиях актуальным становится развитие производства наиболее эффективных по технико-экономическим показателям и наименьшим объемам вредных выбросов в окружающую среду шлакощелочных (ШЩВ) и бетонов (ШЩБ) на их основе. Эта эффективность была доказана отечественными исследованиями в период 60-х - 80-х годов прошлого столетия школой Глуховского В.Д., НИИЖБ и другими. Была показана возможность производства ШЩВ как рядовых, так и специальных -высокопрочных, быстро- и особобыстротвердеющих, жаростойких, радиационностойких и других. Были разработаны нормативные документы на требования к сырью, свойства и технологию производства и применение ШЩВ и ШЩБ на их основе. Осваивалось производство ШЩВ и ШЩБ в Украине, Перми, Липецке, Туле, Омске. Была показана эффективность применения шлакощелочных бетонов для производства изделий и конструкций для гражданского и промышленного строительства.

К середине 80-х годов по ряду причин - отсутствие дефицита цемента, отдельные неудачи в применении, дефицит щелочного затворителя, повышенное высолообразование и др. - производство ШЩБ снизилось, а затем практически прекратилось. Снизились и объемы исследований по разработке ШЩВ и ШЩБ.

Повышенные требования по ресурсо-, энергосбережению, защите окружающей среды в строительной отрасли, в том числе в производстве вяжущих веществ и бетонов приводят к необходимости наращивания исследований по разработке ИЛЦВ и ШЩБ и развития их производства. В последнее десятилетие получили развитие разработки композиционных вяжущих веществ, в том числе с использованием в качестве щелочных компонентов отходов различных отраслей промышленности. На базе достижений отечественной науки в этой области это направление получило развитие в других странах. В частности, Брандштетр И. [186] отмечает, что еще в 90-х годах прошлого столетия в Европе объем производства шлаковых, зольных, пуццолановых и специальных цементов достиг уровня объема производства бездобавочного портландцемента. Он же, формулируя в статье некоторые перспективы неорганических композиционных материалов XXI века, отмечает, что среди прочих ожидается значительный прогресс в использовании шлакощелочных бетонов.

Очевидно, что дальнейшее развитие науки и практики ШЩВ также будет идти в направлении разработок композиционных шлакощелочных вяжущих (КШЩВ). Тем более, что известными исследованиями показано, что в ШЩВ до 50 % шлака может быть заменено материалами природного и техногенного происхождения. Производство таких вяжущих особенно актуально для регионов, не имеющих собственного производства портландцемента, к которым относятся республики Татарстан, Чувашия, Удмуртия и некоторые другие области Российской Федерации. Одной из разновидностей многотоннажного отхода являются строительные отходы, в частности бой керамического кирпича, образующийся на кирпичных заводах и при сносе ветхих зданий.

В настоящей работе на основе анализа известных особенностей структурообразования и твердения шлакощелочных вяжущих с минеральными добавками в качестве рабочей гипотезы выдвинуто предположение о возможности получения композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича с повышенными физико-механическими свойствами.

Цель работы: Разработка составов композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича, растворов и бетонов на их основе и исследование их свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- установление зависимости свойств шлакощелочных вяжущих от удельной поверхности и гранулометрического состава шлаков Челябинского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов;

- исследование влияния добавок молотого боя керамического кирпича на свойства композиционного ШЩВ, свойства и структуру шлакощелочного камня, раствора и бетона на его основе;

- определение оптимального содержания добавок кирпичного боя и способа совмещения компонентов в составе композиционного шлакощелочного вяжущего;

- разработка рациональных составов бездобавочных и с добавками молотого боя керамического кирпича шлакощелочных вяжущих и бетонов на их основе;

- разработка проекта технических условий на композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического кирпича.

Научная новизна работы:

1. На основе выявленных закономерностей и установленных зависимостей свойств вяжущих, растворов и бетонов от вида и удельной поверхности молотых гранулированных доменных шлаков Челябинского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов, вида затворителей и содержания молотого боя керамического кирпича разработаны нормально-, быстро- и особобыстротвердеющие композиционные шлакощелочные вяжущие марок до 1200 и бетоны на их основе классов по прочности до В80, по морозостойкости до

F800 и по водонепроницаемости до W25.

2. Установлены закономерности и зависимости изменения нормальной густоты и сроков схватывания шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича, а также средней плотности, водопоглощения, прочности и кинетики твердения камня, растворов, водопроницаемость и морозостойкость бетонов на их основе от тонкости помола вяжущего, вида шлака и щелочного затворителя.

3. Показано, что введение добавок молотого боя керамического кирпича приводит к повышению степени гидратации и образованию более плотной и однородной тонкозернистой структуры и повышению прочности камня шлакощелочного вяжущего.

4. Установлены зависимости гранулометрического состава и содержания поверхностных зарядовых центров алюмосиликатной составляющих на прочность и сроки схватывания камня шлакощелочных вяжущих.

Практическая значимость работы

- разработаны рациональные составы бездобавочных и композиционных с добавками молотого боя керамического кирпича нормально-, быстро- и особобыстротвердеющих шлакощелочных вяжущих марок от М400 до М1200 и бетонов классов от В20 до В80;

- разработан проект технических условий на композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического кирпича.

Апробация работы

Результаты проведенных исследований докладывались: на 55-57 Республиканских научно-технических конференциях (Казань - 2003-2005); на 5 Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Наука. Инновации. Бизнес" (Казань - 2005). Результаты проведенных исследований опубликованы в сборниках трудов: 55-57

Республиканских научно-технических конференций (Казань - 2003-2005); Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные вопросы строительства" (Саранск - 2003); V Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии" (Тула -2004); IIIV академических чтений РААСН «Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения» (Самара-2004); Международной научно-практической Интернет -конференции "Проблемы и достижения строительного материаловедения" (Белгород - 2005); 5 Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Наука. Инновации. Бизнес" (Казань -2005); II Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону "Бетон и железобетон - пути развития" (Москва - 2005); в Вестнике отделения строительных наук (Нижний Новгород. - 2004); в журнале Строительные материалы, (Москва - 2005, №3, №8).

Публикации

По результатам работы опубликовано 13 статей и тезисов докладов, поданы 2 заявки на выдачу патента на изобретения.

Работа выполнена в соответствии с планами фундаментальных и прикладных исследований отделения строительных наук РААСН

Автор защищает

- разработанные составы рядовых, высокопрочных, нормально-, быстро- и особобыстротвердеющих бездобавочных и композиционных шлакощелочных вяжущих, раСгворов и бетонов с добавками молотого боя керамического кирпича с повышенными эксплуатационными характеристиками на основе нейтральных и кислых шлаков соответственно Орско-Халиловского и Челябинского металлургических комбинатов.

- результаты исследований взаимосвязи удельной поверхности, w >

- гранулометрического состава и свойств шлакощелочных и композиционных шлакощелочных вяжущих;

- результаты исследований влияния добавок молотого боя керамического кирпича на свойства и структуру композиционных шлакощелочных вяжущих и бетонов на их основе.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из 5 глав, приложений и списка литературы, включающей 186 наименований. Основная часть работы изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков и 42 таблицы.

Автор выражает благодарность за постоянное внимание и консультации члену корреспонденту РААСН, профессору Рахимову Равилю Зуфаровичу.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе выявленных закономерностей и установленных зависимостей свойств вяжущих, растворов и бетонов от вида и удельной поверхности молотых гранулированных доменных шлаков Челябинского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов, вида затворителей и содержания молотого боя керамического кирпича разработаны нормально-, быстро- и особобыстротвердеющие композиционные шлакощелочные вяжущие марок до Ml200 и бетоны на их основе классов по прочности до В80, по морозостойкости до F800 и по водонепроницаемости до W25.

2. Показано, что введение добавок молотого боя керамического кирпича до 30 % позволяет повысить прочность шлакощелочных вяжущих до 30-32 %, а до 60 % - равнопрочные с бездобавочными составами.

3. Установлены зависимости гранулометрического состава и содержания поверхностных зарядовых центров шлака от тонкости его помола.

4. Показано, что введение добавок молотого боя керамического кирпича приводит к повышению степени гидратации и образованию более плотной и однородной тонкозернистой структуры камня.

5. Показано, что продолжительность помола до 600 м /кг композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками 30%, 60% и 80% молотого боя керамического кирпича соответственно в 1,3 раза больше, 1,5 и 2 раза меньше, чем продолжительность помола бездобавочного до удельной поверхности 300 м /кг.

6. Выявлено, что бетоны на основе композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича имеют пониженный уровень высолообразования по сравнению с бетонами на бездобавочном шлакощелочном вяжущем.

7. Разработан проект технических условий на композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического кирпича.

8. Расчетная стоимость композиционного шлакощелочного вяжущего ниже стоимости портландцемента от 30 % до 3 раз в зависимости от марки вяжущего и вида затворителя.

1. Ильичев В.А. Строительный комплекс в век информационных технологий и один день без них. // Архитектура и строительство Москвы, №2-3, 2002, с.46-50.

2. Баринова JI.C., Волков Ю.С. Строительство определяющий фактор устойчивого развития. Информационный бюллетень, №5, 2002, с.2-4.

3. Стратегия развития строительного комплекса Российской Федерации на период до 2010 года.

4. Петрова Т. М., Комохова П.Г., Чибисова Н. П., Тарасов А. В. Радиационностойкий бетон на основе шлакощелочного вяжущего // Цемент. -1997. январь-февраль, -с. 33-35.

5. Каушанский В.Е., Трубицин А.С., Казаков С.Б. Влияние термообработки доменного гранулированного шлака на его размалываемость и активность // Изв. вузов. Строительство. -2003. -№7. -с.58-62.

6. Глуховский В.Д. Грунтосиликаты, их изготовление, свойства и применение// Автореф. . к.т.н. -Киев. -1960. -21 с.

7. Глуховский В.Д. Грунтосиликаты, их свойства, технология изготовления и область применения // Автореф. . д.т.н., -Киев, -1965.-48 с.

8. Гелевера А. Г. Быстротвердеющие и особобыстротвердеющие высокопрочные шлакощелочные вяжущие // Автореф. дисс. .к.т.н. -К.-1986.-20 с.

9. Гончаров Н.Н. Коррозионная стойкость шлакощелочных вяжущих и бетонов // Автореф.к.т.н. Киев. - 1984. -19 с.

10. Гоц В.И. Влияние температурного фактора на процессы структурообразования и свойства шлакощелочных бетонов // Автореф.к.т.н. Киев. - 1983. -24 с.

11. Жукова Р. С. Синтез и исследования щелочных алюмосиликатов на основе глинистых минералов и гидроксида калия // Автореф.к.т.н. -Киев. 1973.-20 с.

12. Ильин В.П. Исследования свойств грунтосиликатных шлакощелочных бетонов для мелиоративного строительства // Автореф. дисс. .к.т.н. -Киев. -1974.- 20 с.

13. Кривенко П.В. Кислотостойкие материалы на основе щелочных алюмосиликатных связок// Автореф. к.т.н. -Киев. -1971.-20 с.

14. Кононов В. П. Прочностные и деформативные свойства шлакощелочного бетона на основе высокомодульного жидкого стекла // Автореф.к.т.н. Киев. - 1990. -19 с.

15. Костенко-Костенчук В.П. Мелкозернистые бетоны на основе шлакощелочного вяжущего и заполнителей различной крупности // Автореф.к.т.н.-Киев. 1981.-22 с.

16. Македон H.JI. Исследование свойств вяжущих и бетонов на основе гранулированных шлаков и высокощелочной пыли клинкерообжигательных печей // Автореф.к.т.н. Киев. - 1970. -20 с.

17. Матвиенко В.А. Исследование шлакощелочных вяжущих и бетонов с использованием щелочных отходов промышленных производств // Автореф.к.т.н.-Киев. 1979.-20 с.

18. Мироненко А. В. Стойкость шлакощелочных бетонов в растворах минеральных солей // Автореф.к.т.н. Киев. - 1985. -20 с.

19. Мухамедгалеева С.П. Исследование свойств и технологии изготовления бетонов на шлакощелочных вяжущих для условий Севера//Автореф. . к.т.н. -Киев. -1976. -21 с.

20. Пашков И.А. Исследование грунтосиликатных бетонов на основе грунтов, шлаков и соединений щелочных материалов Автореф.д.т.н. -Киев. 1966.-20 с.

21. Пушкарев Е. К. Синтез искусственного камня с заданными свойствами на основе щелочно-щелочноземельных вяжущих систем //Автореф. к.т.н. Киев. - 1985. -16 с.

22. Ракша В. А. Исследование влияния химического состава шлаков на свойства шлакощелочных вяжущих и бетонов на их основе // Автореф. дисс.к. т. н. -Киев. -1974. 23 с.

23. Ростовская Г.С. Исследование грунтосиликатных бетонов на основе вяжущих, содержащих глинистые компоненты // Автореф.к.т.н. -Киев. 1968.-20 с.

24. Румына Г. В. Исследование влияния глинистых минералов на свойства шлакощелочных бетонов // Автореф.к.т.н. Киев. - 1974. -26 с.

25. Рябов Г.Г. Исследование автоклавных шлакощелочных вяжущих и бетонов//Автореф.к.т.н. -Киев. -1979. -19 с.

26. Сикорский О.Н. Исследование коррозионной стойкости мелкозернистых шлакощелочных бетонов для сельского строительства//Автореф. к.т.н.-Киев. -1970.-21 с.

27. Скурчинская Ж.В. Синтез аналогов природных минералов с целью получения искусственного камня. // Автореф. . к.т.н. -Киев. -1973. -21с.

28. Тимкович В.Ю. Генезис структуры и прочности шлакощелочных вяжущих и бетонов // Автореф.к.т.н. Киев. - 1986. -26 с.

29. Чиркова В.В. Материалы на основе стеклоподобных бескальциевых алюмосиликатов и соединений натрия // Автореф.к.т.н. Киев. -1974.-22 с.

30. Материалы II республиканской научно-технической конференции по грунтосиликатам. Изд-во НИИСП Госстроя УССР, К., 1968. -236 с.

31. Тезисы докладов на республиканской научно-технической конференции по использованию и внедрению в производство и строительство новых строительных материалов грунтосиликатов, КИСИ, К., 1964. -224 с.

32. Шлакощелочные цементы, бетоны и конструкции. // Тез. докл. науч. Всесоюз. конф. -Киев. -1979. -203 с.

33. Шлакощелочные цементы, бетоны и конструкции. // Тез. докл. науч.

34. Всесоюз. конф. -Киев. -1984. -365 с.

35. Шлакощелочные цементы, бетоны и конструкции. // Тез. докл. науч.

36. I Всесоюз. конф. В 2-х т. -Киев. -1989.

37. Глуховский В. Д., Кривенко П. В., Румына Г. В., Герасимчук В. JI. Производство бетонов и конструкций на основе шлакощелочного вяжущего. -К. -Бущвельник. -1988. -144 с.

38. Румына Г.В., Матвиенко В.А., Письменная Л.Ю. Безавтоклавный шлакощелочной бетон // Строительные материалы. -№4. -1978. -с.21-24.

39. Глуховский В.Д., Ростовская Г.С. Исследование и внедрение в производство шлакощелочных вяжущих, бетонов и конструкций на их основе. -Киев. -Общ. Знание. -1979.

40. Петропавловский О.Н., Чиркова В.В., Демьянова Л.Е. Опыт производства, эксплуатации и перспективы развития сырьевой базы ШЩВ, бетонов и конструкций // Цемент. -1990. -№6. -с.20-22.

41. Калашников В.И. Перспективы развития геополимерных вяжущих // Современное состояние и перспективы развития строительного41