автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Мелкоштучные стеновые материалы на основе сырья Чеченской Республики

На правах рукописи

Аласханов Арби Хамидович

МЕЛКОШТУЧНЫЕ СТЕНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ СЫРЬЯ ЧЕЧЕНСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссерташга на соискание ученой степенн кандидата технических наук

1Я НОЯ 2013 005540093

Белгород 2013

005540093

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Муртазаев Сайд-Альви Юсупович

Официальные - Бурьянов Александр Федорович

оппоненты: доктор технических наук, доцент

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет», профессор кафедры «Технология вяжущих веществ и бетонов»

- Клименко Василий Григорьевич

кандидат технических наук, профессор Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», профессор кафедры «Неорганическая химия»

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Брянская государственная инженерно-технологическая академия»

Защита состоится «17» декабря 2013 года в 11ш часов на заседании диссертационного совета Д.212.014.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, ауд. 242 т.к.

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

Автореферат разослан «12» ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р техн. наук, проф.

Г.А. Смоляго

Актуальность. Возрастающие темпы строительства в Чеченской Республике требуют значительного увеличения выпуска высококачественных строительных материалов, для изготовления и переработки которых требуется как можно меньше энергии и капиталовложений. К таким материалам относятся гипсовые вяжущие, наиболее эффективные с точки зрения энергоемкости производства и негативного воздействия на окружающую среду, а их твердение происходит интенсивно без тепловлажностной обработки.

Чеченская Республика (ЧР) обладает большими запасами природного и техногенного сырья для развития строительной индустрии. В горных районах сосредоточены значительные месторождения сырья для получения цемента, гипсовых вяжущих, мелкого и крупного заполнителя бетона. Накоплен огромный объем отходов промышленной деятельности - сотни тысяч тонн золошлаковых отходов, строительный лом и тд. Их утилизация может внесли весомый вклад в дело восстановления ЧР и охраны окружающей среды.

В настоящее время ЧР ощущает потребность во многих строительных материалах, особенно стеновых. При рациональном использовании имеющейся минерально-сырьевой базы на основе передовых технологий можно получить конкурентоспособную строительную продукцию, не уступающую зарубежным аналогам. Это в полной мере относится к получению гипсовых композиционных вяжущих, позволяющих значительно снизить дефицит стеновых материалов для восстановления и строительства разрушенных зданий и сооружений в ЧР.

Диссертационная работа выполнена в рамках тематического плана госбюджетных НИР Федерального агентства по образованию РФ, проводимого по заданию Министерства образования и финансируемого из средств Федерального бюджета на 2010-2014 гг.

Цель работы - повышение эффективности мелкозернистого бетона на основе гипсосодержащих композиционных вяжущгос из техногенного сырья ЧР для производства мелкоштучных стеновых материалов (МСМ).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи'.

— изучение физико-механических свойств и особенностей природного и техногенного сырья ЧР и композиционных вяжущих на их основе с целью получения мелкозернистого бетона для стеновых материалов;

— оптимизация вещественного состава композиционных гипсовых вяжущих (КГВ), получаемых из местного сырья;

— разработка составов и изучение свойств мелкозернистых бетонов, получаемых на основе композиционных гипсовых вяжущих для производства мелкоштучных стеновых материалов;

- разработка рекомендаций и создание энергосберегающей технологии производства стеновых материалов из мелкозернистого бетона на КГВ;

-подготовка нормативных документов для реализации экспериментальных исследований в промышленное производство и учебный процесс.

Научная новизна работы. Установлен характер влияния кремнеземсодержащих компонентов из техногенного сырья ЧР на процессы структурообразования системы «гипс — цемент — золошлаковая минеральная добавка - СП - вода» при твердении водостойкого КГВ. На первой стадии быстрый набор прочности системы осуществляется за счет синтеза крупных кристаллов двуводного гипса, одновременно выполняющих функцию регулируемого раннего схватывания.

В дальнейшем гидратация клинкерных минералов обеспечивает за счет создания малорастворимых новообразований в ранее созданной структуре композита и повышения его водостойкости. А последующий рост эксплуатационных характеристик обеспечивается новообразованиями 2-ой генерации гидросиликатов Са за счет взаимодействия выделяющегося портландита при гидратации алита с рентгеноаморфными частицами золошлаковой смеси. Подобный механизм гидратации КГВ минимизирует внутренние напряжения и объемные деформации, в связи с чем уменьшается количество микротрещин, что приводит к повышению эффективности синтезируемого КГВ по сравнению с традиционно Применяемым гипсовым вяжущим.

Показана закономерность изменения гранулометрии составляющих разных видов предлагаемых вяжущих. Интегральные кривые распределения частиц КГВ на основе шлака и ЦЕМ I 42,5Н Чири-Юртовского цементного завода близки между собой, а график распределения частиц КГВ на основе золы смещается в области тонких фракций (1,10...40,45 мкм), что приводит к увеличению водопотребности на 14 %. Введение суперпластификатора Полипласт СП-1 уменьшает воДопотребностъ и приводит к росту прочности на сжатие на 17 %.

Установлено влияние микро- и ма!фоструктуры на эксплуатационные характеристики мелкоштучных стеновых материалов. Структура композитов на основе жестких прессованных смесей отличается плотным мелкокристаллическим строением. Поры практически полностью заполнены нанозернистыми новообразованиями ИаАкиликатов, гидроалюминатов, гидроалюмоферритов кальция, двуводного гипса и др. В системе матрицы диагностируются микровключения кварца, альбита, кальцита. Оптимизация строения матрицы МСМ приводит к повышению предела прочности при

сжатии на 15-20 %, росту модуля упругости, коэффициента Пуассона и призменной прочности.

Достоверность результатов работы и выводов обеспечена систематическими исследованиями с применением стандартных средств и методов измерения, использованием комплекса современных физико-химических методов анализа, • статистической оценки результатов экспериментов,, достаточным объемом исходных данных и результатов исследований. Полученные данные не противоречат известным положениям строительного материаловедения и результатам исследований других авторов.

Практическое значение работы. Предложена рациональная область использования тонкомолотых золошлаковых отходов ТЭЦ в качестве активных минеральных добавок при производстве КГВ.

Установлена возможность получения композиционных вяжущих и мелкозернистого бетона для стеновых материалов на основе природного и техногенного сырья ЧР.

Подтверждена эффективность применения в качестве заполнителя для производства МСМ из мелкозернистого бетона на основе КГВ местных песков и золошлаковых отходов Грозненской ТЭЦ.

Разработана широкая номенклатура составов для производства МСМ.

Внедрение результатов исследований. Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы при производстве мелкоштучных стеновых материалов из мелкозернистого бетона разработаны нормативно-технические документы: рекомендации по изготовлению изделий из мелкозернистого бетона на композиционном гипсовом вяжущем; стандарт организации СТО 02066340-017-2013 «Композиционное гипсовое вяжущее с использованием золошлаковых отходов»; технологический регламент на производство композиционного пшсового вяжущего для мелкоштучных стеновых материалов.

Внедрение проведенных исследований в промышленных условиях осуществляли на предприятии ООО «Элнтстрой» г. Грозный ЧР. Изготовлена опытно-промышленная партия стеновых камней из мелкозернистого бетона на КГВ.

Результаты работы использовались при реализации федеральной целевой программы «Социально-экономическое развитие Чеченской Республики ЧР на 2008-2012 гг.», в рамках которой построено три дома коттеджного типа в поселке Мичурина Октябрьского района ЧР.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106

«Производство строительных материалов, изделий и конструкций», а также бакалавров и магистров по направлению «Строительство».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на: Международных научно-практических конференциях «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов (XIX научные чтения)» (г.Белгород, 2010 г.); «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (г. Белгород, 2011 г.); «Инновационные материалы и технологии (XX научные чтения, 2011 г.); «Экологические проблемы горнопромышленных регионов» (г. Казань, 2012 г.); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, посвященная 100-летию академика М.Д. Миллионщикова (г. Грозный, 2013 г.).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 10 научных публикациях, в том числе в трех статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы из 146 наименований и 5 приложений. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, включает 37 таблиц, 22 рисунков и фотографий.

На защиту выносятся:

— принципы проектирования мелкозернистого бетона для мелкоштучных стеновых материалов на основе техногенного сырья ЧР с применением КГВ;

— структурные особенности и свойства техногенного сырья ЧР, получаемых на их основе КГВ и мелкозернистых бетонов для стеновых материалов;

— оптимальные области составов КГВ с минеральными добавками золы-уноса и шлака;

— результаты экспериментально-теоретических исследований основных физико-механических свойств мелкозернистых бетонов на КГВ и технология производства мелкоштучных стеновых материалов на их основе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современное развитие промышленности строительных материалов в новых экономических условиях направлено на обеспечение потребностей капитального строительства, прежде всего, жилищного. Комфорт и эстетика жилища зависят от правильного выбора стеновых материалов, которые

должны быть теплыми, красивыми, недорогими, технологичными и экологически чистыми.

В настоящее время Чеченская Республика ощущает потребность в стеновых строительных материалах. Особенно эффективно производство стеновых камней и блоков из мелкозернистого бетона на КГВ с использованием техногенного сырья - золошлаковых отходов, продукта многолетнего функционирования ТЭЦ г. Грозного (рис. 1), что будет способствовать снижению дефицита стеновых материалов и значительному сокращению сроков возведения зданий.

Рас. 1. Накопления золошлаковых отходов ТЭЦ г. Грозный

В связи с этим актуальным является совершенствование технологии производства мелкозернистых бетонов на КГВ требуемого качества.

Свойства и структуру исходных сырьевых материалов, КГВ и мелкозернистых бетонов на их основе изучались с применением, как высокоточных инструментальных методов исследований, так и стандартных методик. Исходными материалами для получения мелкозернистого бетона для МСМ являются: КГВ, полученное в результате совместного помола активной минеральной добавки, портландцемента ЦЕМ I 42,5Н (Чири-Юртовского цементного завода) и суперпластификатора Полипласт СП-1, с последующим смешиванием с гипсовым вяжущим р-модификации марки Г5Б II (Астраханский гипсовый комбинат), совмещенный с кратковременным помолом; шлаковый песок и зола!из отвалов ТЭЦ (г. Грозный); кварцевый песок Червленского месторождения; химические добавки: лимонная кислота и суперпластификатор Полипласт СП-1.

В данной работе в качестве минеральной добавки в составе КГВ использовали техногенное сырье - тонкомолотые шлак и золу-уноса Грозненской ТЭЦ. Введение минеральных добавок в гипсоцементные композиции позволяет влиять на этапы твердения и способствовать изменению конечных свойств материалов.

Удельная поверхность золы и шлака, определенная на приборе ПСХ-2, не тождественна истинной поверхности, причиной чему является

микропористость частиц, которая может быть не только закрытой, но и открытой, что подтверждается микроанализом структуры и морфологии минеральных добавок.

Источником образования пор являются процессы дегидратации глинистых минералов и диссоциации частиц известняка, гипса и органических веществ. В результате возникновения газообразной фазы, состоящей из Н20, СОг и БОз происходит вспучивание капелек вязкого расплава. Количество пор, сосредоточенных на поверхности частиц золы-уноса, по сравнению со шлаком, больше и она обладает значительно большей полной удельной поверхностью (табл. 1)

Таблица 1

Показатели свойств тонкомолотых минеральных добавок_

Показатель Тонкомолотые минеральные добавки

зола-уноса шлак

Удельная поверхность по ПСХ-2, м*/кг 690 470

Удельная поверхность на приборе Сорби-М (4-х точечный метод БЭТ, м2/кг 0,072 0,002

Объем пор с Я<19,4 нм, м"7кг 18 3

Гидравлическая активность является наиболее важным свойством золошлаковых смесей ТЭЦ, обусловливающим возможность их применения в составе вяжущих веществ и растворов. Увеличение их удельной поверхности повышает реакционную способность минералов, способствуя устранению условий образования и накопления эттрингита за счет связывания гидроксида кальция активированным кремнеземом и уменьшения количества алюминатных составляющих за счет ускоренной гидратации портландцемента, что обуславливает повышение прочности и долговечности сформировавшейся структуры затвердевших КГВ и бетонов на их основе.

В составе зол и шлаков обладают продукты обжига глин: аморфизованное глинистое вещество типа метакаолинита, аморфные 8Ю2 и А12Оз, алюмосшшкатное стекло. Химический состав минеральных добавок представлен в табл. 2.

Таблица 2

Химический состав используемых минеральных добавок_

Вид добавки 8Ю2 А120з Ре203 ТЮ2 К^О СаО К20 Ыа20 БОз

Шлак 67,46 15,05 2,65 0,36 0,54 5,45 5,16 2,59 0,24

Зола-уноса 32,44 5,57 31,37 0,28 2,35 19,80 2,02 0,86 1,28

г

Анализ результатов химического состава минеральных добавок показывает, что они содержат БЮ2 и А1203 (шлак в 2 раза больше, чем зола-уноса), которые в измельченном виде способны при обычных температурах связывать гидрат окиси кальция с образованием нерастворимых соединений, т.е. обладают пуццолановой активностью, следовательно, могут быть использованы при производстве КГВ в качестве активных минеральных добавок. Более кислые минеральные добавки обладают повышенной активностью, о чем можно судить по величине глиноземного модуля или модуля активности (табл. 3)

Таблица 3

Сопоставление характеристик золошлаковых отходов Грозненской ТЭЦ

Характеристики Ед. изм. Шлак Зола-уноса

8Ю2 + Ре203 + А1203 % 85,16 69,38

СаО + М§0 % 5,99 22,13

СаО + / ЗЮ2+ Ре20:! + А1203 % 0,07 0,32

АЬОз/БЮг % 0,22 0,17

Полученные результаты подтверждаются экспериментальными данными кинетики тепловыделения минеральных добавок. Изучали кинетику тепловыделения золы-уноса и шлака с момента их смешения с водой затворения. В исследованиях был применен дифференциальный квазиизотермический калориметр с компьютерной обработкой (рис. 2).

О 100 аоо 300 400 500 800 о 10 25 30 40 50 60

Время, с время, с

Рис. 2. Кривые кинетики тепловыделения систем: а) зола + вода; б) шлак + вода

Установлено, что тепловыделение золы-уноса и шлака отличается по своей интенсивности и продолжительности. Через 100 с после контакта с водой скорость тепловыделения золы-уноса достигает максимального значения - 0,03 ед., отличается растянутостью и замедленным началом реакции взаимодействия с водой (через 10 с). Шлак значительно быстрее

проявляет реакционную способность (через 1-2 с) и через 10-15 с его тепловыделение достигает своего максимального значения — 0,02 ед. Особенность приведенных термограмм заключается в том, что интенсивность остаточного уровня тепловыделения в индукционный период через 200-500 с после затворения водой у золы-уноса снижается лишь на 25 % (до 0,02 ед), а у шлака резкий спад наблюдается через 15 секунд и тепловыделение практически заканчивается через 50 с. Данное явление можно объяснить тем, что в водной среде на поверхности зерен шлака имеется большое количество активных центров различной природы, выступающих в качестве готовой подложки для образования зародышей гидратных соединений.

Анализ микроструктуры и морфологии тонкомолотых минеральных добавок золы-уноса и шлака Грозненской ТЭЦ показали, что их форма частиц различается в зависимости от размера. Частицы шлака состоят в основном из плотных стекловидных частиц различной крупности кубической и закругленной формы, имеющие слоистое строение (рис. 3, а).

а б

Рис. 3. Микроструктура и морфология тонкомолотых минеральных добавок: шлака (а) и золы-уноса (б)

Большая часть зольной пыли состоит из пористых стекловидных частиц различной крупности пластинчатой, неправильной и угловатой формы. Отличительной чертой является наличие в смеси пористых, сравнительно

крупных частиц с вогнутой поверхностью, а также мелких частиц хлопьевидной структуры (рис. 3, б).

Необходимо также учитывать, что минералогический состав золы-уноса будет различаться в зависимости от сорта, дисперсности распыленного угля, режимов сжигания и других факторов.

Кристаллическая составляющая золы-уноса Грозненской ТЭЦ состоит из двух модификаций кварца (с! = 3,403; 3,247...А), магнетита ¥е304 (с! = 2,987; 2,600; 2,119; 1,493...А), кальцитаСаСЮ3(й = 3,081...А), кальциевожелезистого силиката СаРе8120б. Превышение фона в области 620-40° в основном связано с большим содержанием железа (рис. 4, кривая 1).

Рис. 4. РФА золы-уноса (1) и шлака (2) Грозненской ТЭЦ (а) и сравнение профилей основных межплоскостных расстояний Ыа(А18Ь08) (б) в природе (1) и в шлаке (2)

В шлаках Грозненской ТЭЦ (рис. 4, кривая 2) в основном (до 95%) присутствует стеклофаза, что обусловлено увеличением длительности нахождения шлака в высокотемпературной зоне. Кристаллическая фаза представлена альбитом, NаА 1 -силикатами и А1-силикатами, несколькими различными модификациями кварца (8Ю2), отличающимися от природных модификаций параметрами кристаллической решетки (с1 = 4,327; 4,106; 3,386; 3,283; 2,477; 2,351; 2,255; 2,140; 1,990; 1,7881,681; 1,660; 1,549; 1,458...А), что связанно с его техногенным происхождением. Рентгенограмма содержит линии двух достаточно прочных разновидностей силикатов (альбита, анортоклаза типа К, Ыа(А181308) с основными отражениями (с! = 3,888; 3,283; 3,23; 2,983...А), имеются линии слюды - гидронатрийалюмосиликатов ((1 = 3,527 А), магнетита Ре304 (с1 = 3,00; 2,55...А) и кальцита СаС03 (¡1 = 3,03; 3,065... А). В интервале углов 0 31-32° наблюдается уширение межплоскостных расстояний натрийалюмосиликатов Ыа(А18ь,08), а также

присутствует значительное фоновое увеличение под данными межплоскостными расстояниями (с! = 3,283-3,23А), что говорит о частичном наличии их аморфизованного состояния (рис. 4, б). В результате расчета по максимальной интенсивности межплоскостных расстояний основных минералов - 8Ю2, К,Ма(А181308) и фоновому значению (гало) установлено: содержание кристаллического БЮг — 56,9%, аморфного 8Ю2 - 3,7%, аморфного К,№(А181308) - 39,4% (без учета других составляющих данной системы). По результатам количественного рентгенофазового анализа выявлено, что золошлаковые отходы содержат в своем составе достаточно большое количество рентгеноаморфных веществ, определяющих их гидравлическую активность при взаимодействии с Са(ОН)2 с образованием гидросиликатов кальция.

Долговечность гипсоцементных систем во многом зависит от правильного соотношения между количествами кремнеземистых добавок (КД) и портландцемента. Для установления влияния дисперсности и соотношения компонентов в КГВ на свойства и структуру затвердевшего камня изучали влияние тонкости их помола на основные физико-механические свойства.

Кривые гранулометрического состава шлака и золы-уноса с удельной поверхностью 470 и 690 м2/кг соответственно, показали (рис. 5), что основной диапазон размеров частиц золы-уноса, в который попадает более 90 % материала, ограничивается фракциями (18,15...201 мкм); а частиц шлака -фракциями (1,1...60,35 мкм).

Интегральные кривые распределения по размерам частиц КГВ с различными минеральными добавками (золой-уноса и шлаком) представлены на рис.6. Сравнивая гранулометрию цемента, гипса и композиционных гипсовых вяжущих на золе-унос и шлаке можно увидеть, что график распределения частиц по размерам портландцемента и КГВ на шлаке схожи, с основным диапазоном частиц в области (11,0.. .148 мкм), у гипса - (8,16-40,45 мкм), наблюдается два ярко выраженных пика и увеличение содержания более тонкой фракции.

Условиями создания долговечных и высокоэффективных КГВ является правильно подобранное и скорректированное соотношение между гидравлическим вяжущим и активной минеральной добавкой. Максимально допустимые концентрации СаО в суспензиях гипса, цемента и пуццоланы через 5 и 7 суток в 1,1 и 0,85 г/л, установленные ТУ 21-31-62-89, определяют минимально необходимое количество пуццолановой добавки, входящей в состав КГВ. Вяжущее, соответствующее этим требованиям, твердеет без вредных внутренних напряжений, ведущих к объемным деформациям и появлению трещин.

Рис. 5. Сравнение распределения частиц по размерам

У КГВ на золе-унос основной диапазон частиц смещается в область более тонких фракций (0,99...66,4 мкм), что в дальнейшем приводит к увеличению водопотребности КГВ и подтверждается экспериментально.

ю ,

Размер частиц. мкм

Рис. 6. Гранулометрический состав КГВ и его компонентов

Об эффективности действия исследуемых добавок свидетельствует снижение концентрации оксида кальция в растворе: для золы-уноса через 5 суток до 1,23...0,86 г/л, на 7-е сутки до 1,18...0,84 г/л, при обязательном соотношении минеральной добавки (Д) и цемента (Ц) Д/Ц = 1:1,5; для шлака через 5 суток до 0,22...ОД4 г/л, на 7-е сутки до 0,15...0,13 г/л, при обязательном соотношении Д/Ц = 1:0,5. Полученные отношения между Д/Ц положены в основу расчета составов КГВ, которые были приняты следующими (табл. 4).

Составы КГВ, подобранные по ТУ 21-31-62-89

№ состава Содержание компонентов, %

гипс портландцемент шлак зола-уноса

1 70 20 10 -

2 70 12 - 18

Со снижением концентрации гидроксида кальция, постепенно исчезают условия образования высокоосновных гидроалюминатов кальция и эттрингита. Полости между кристаллами дигидрата сульфата кальция заполняются мельчайшими частицами новообразований и ультрадисперсными частицами портландцемента и активной минеральной добавки, что способствует увеличению контактов между кристаллами и повышению плотности, прочности, водостойкости и долговечности в целом затвердевшего вяжущего, что подтверждается комплексными исследованиями фазового состава, процессов гидратации и структурообразования камня на КГВ методами электронной микроскопии и РФА (рис. 7).

Рис. 7. Продукты гидратации КГВ с золой-уноса

Клинкерные минералы с золой-уноса прореагировали более активно. В данной системе присутствует большее количество Са(ОН)2 (d = 4,9...А) и СаС03 (d = 2,088; 1,89...А), что подтверждается РФА и элементным составом микрозондирования, но на рентгенограммах эти отражения явно не выражены, т.к. перекрываются отражениями гипса (рис. 8). Рентгенограмма содержит линии двух достаточно прочных разновидностей силикатов (альбита, анортоклаза типа K,Na(AlSi3Og) с основными отражениями (d = 3,888; 3,283; 3,23; 2,983... А).

С целью обеспечения ускоренного набора прочности камня на КГВ в воду затворения был введен полуводный гипс в количестве, обеспечивающем получение насыщенного раствора (до 7,1 г/л), что позволило несколько замедлить процесс схватывания, и привело к более быстрому образованию центров кристаллизации двугидрата (табл. 5).

Установлено, что подвижность теста не изменяется, прочность затвердевшего камня увеличивается на 18 % через 2 часа и на 15 % в 28 суточном возрасте, коэффициент размягчения составил - 0,64...0,69.

О 10 11 14 16 18 20 П 14 16 18 30 32 34 И 38 Л) 42 44 46 4* ЗД 53 М 56 5» 6Я 62 64 66 68 70 72 74 76 7*

Рис. 8; РФА КГВ с золой-уноса (1) и КГВ со шлаком (2) Грозненской ТЭЦ (а) и сравнение профилей основных межгатоскостных расстояний алита и белита (б) в КГВ с золой-уноса (1) и в КГВ со шлаком (2)

В результате растворения, гидролиза и кристаллизации в системе КГВ — вода, основной составной частью порового электролита являются ассоциированные молекулы Са8<Э4, изменяя концентрацию которых можно регулировать как сроки схватывания, так и набор прочности затвердевшего вяжущего.

Таблица 5

Влияние минеральных добавок на физико-механические свойства КГВ

№ п/п Вид минерал, добавки Добавка Со$04 0,5Н20 г/л В/В Сроки схватывания, мин.-с Прочность при сжатии, МПа кр

начало конец 2 ч. 7 сут. 28 сут

1 Зола-уноса - 0,50 8-30 11-30 4,1 8,8 13,6 0,64

2 7 . 0,50 11-30 13-30 4,8 10,2 15.6 0,65

3 Шлак - 0,44 8-00 11-00 4,4 13,2 17,9 0,68

4 7 0,44 11-00 13-00 5,2 15,3 20,2 0,69

Очень важна роль химических добавок для тонкодисперсного КГВ (табл. 6). Тонкий помол вяжущих приводит к увеличению их водопотребности, к флокуляции частиц при затворении водой, в результате чего значительное количество его зерен не гидратируется.

Таблица 6

Влияние химических добавок на свойства КГВ (с золой-уноса) В/В,жЧ),4б

№ п/п Вид добавки Содерж. добавки, мас.% Расплыв, м Сроки схватывания, мин., с Прочность при сжатии, МП а

начало конец 2 ч. 7 сут. 28 сут.

1 Без добавки ___ 0,120 0,180* 8-00 8-30 11-00 11-30 5Л. 3,4 18.3 13.4 20.4 14,1

2 Полипласт-СП-1 0,1 0,160 7-45 10-45 5,0 14,5 15,7

0,3 0,180 7-30 10-30 4,4 13,9 14,7

0,5 0,220 7-15 10-15 4,2 13,4 13,9

3 Лимонная кислота 0,03 0,160 18-45 25-15 4,8 9,2 10,4

0,05 0,162 24-30 28-30 4,9 9,7 И,4

0,07 0,162 29-30 34-30 5,0 10,2 11,9

4 Лимонная к-та + Полипласт СП-1 0,05 + 0,3 0,265 30-00 35-15 4,3 13,2 13,8

* В/Вяж = 0,5

Для уменьшения водопотребности КГВ применяли суперпластификатор Полипласт СП-1, способный диспергировать частицы твердой фазы, образуя на них сольватные оболочки, для регулирования сроков схватывания вяжущего - лимонную кислоту, а также комплексную химическую добавку (КХД). Пластифицирующий эффект ПАВ устанавливали по консистенции паст при постоянном В/Вяж. Добавки вводились совместно с водой затворения. Эффективность применения суперпластификатора Полипласт-СП-1 (0,1-0,5%) подтверждается увеличением подвижности смеси (с 0,12 до 0,22 м), лимонной кислоты - замедлением начала схватывания от 1845 до 29-30 мин.

Разработанная КХД (лимонная кислота + Полипласт-СП-1) позволяет регулировать начало схватывания до 30 мин и скорость твердения КГВ.

Для создания мелкоштучных стеновых материалов: были подобраны составы МЗБ из жестких и подвижных смесей на основе разработанных КГВ на золе-уноса и на шлаке в качестве активных минеральных добавок (табл. 79), в соотношениях по массе 1:1,1:2,1:3 (КГВ ¡заполнитель).

Свойства МСМ из жестких бетонных смесей на КГБ

с минеральной добавкой (шлака/золы-уноса)

№ п/п Состав: КГВ:3 Средняя плотность р, кг/м3 Предел прочности при сжатии Ясж, МПа

7 суток 28 суток 7 суток 28 суток

Со шлаком

1 1:1 2,24/2,25 2,21/2,21 32,63/19,38 43,83/27,69

2 1:2 2,23/2,23 2,22/2,19 23,16/12,25 24,58/17,64

3 1:3 2,33/2,06 2,26/2,02 12,82/6,75 13,44/11,43

С песком

4 1:1 2,21/2,25 2,07/2,18 23,14/8,00 32,00/19,69

5 1:2 2,09/2,23 1,97/2,24 16,83/7,50 19,05/10,71

б 1:3 2,18/2,06 2,04/2,11 10,13/5,00 10,29/7,14

Таблица 8

Свойства МСМ с песком из подвижных смесей на КГВ с минеральной добавкой (шлака/золы-уноса)

п/п Состав В/Вяж Расплыв конуса, мм Предел прочности при сжатии Ясж, МПа в сроки

7 суток 28 суток

1 1:1 0,25/0,3 . 150/122 23,3/18,4 38,4/29,7

. 2 г 0,3/0,37 170/170 21,0/15,0 34,2/25,0

3' 0,35/0,4 190/178 19,6/14,5 29,3/24,7

4 0,4/0,45 210/205 18,9/12,2 26,4/20,9

5 1:2 0,4/0,45 120/132 15,2/11,8 23,4/19,2

6 0,45/0,5 140/166 13,6/8,7 21,6/16,1

7 .0,52/0,53:" 170/170 ' 11,2/8,, 1 18,5/15,4

8 0,55/0,6 180/224 10,8/7,0 17,8/11,9

9 .1:3 0,55/0,6. . 120/135 • 9,2/4,6 15,7/7,9

10 0,6/0,65' 140/160 8,1/4,0 13,8/6,8

11 0,67/0,68 170/170, ■ 6,2/3,8 11,0/6,7

12 0,7/0,75 190/210 5,9/3,1 10,1/5,3

В течение 5 минут перемешивали компоненты смеси, определяли её подвижность по расплыву стандартного конуса (Рк) на встряхивающем столике и формовали образцы стандартных размеров.

Образцы стеновых материалов из жестких бетонных смесей формовали в пресс-формах при давленш прессования 20 МПа.

Результаты физико-механических испытаний приведены в таблице 9.

Свойства МСМ со шлаком из подвижных смесей на КГВ с минеральной

добавкой (шлака/золы-уноса) _

№ п/п Состав В/Вяж Расплыв конуса, мм Предел прочности при сжатии R-сж, МПа в сроки

7 суток 28 суток

1 1:1 0,3/0,35 136/140 19,4/11,3 32,2/19,3

2_j 0,35/0,37 170170 15,9/10,8 28,0/17,9

3 0,4/0,45 200/240 13,6/9,7 23,3/16,5

4 0,45/- 236/- 11,8/- 20,2/-

5 1:2 0,4/0,44 150/120 20,1/11,8 34,4/20,2

6 0,43/0,46 170/170 17,3/9,1 30,6/16,5

7 0,5/0,55 206/205 13,8/8,7 23,9/14,8

8 0,55/- 234/- 11,8/- 19,8/-

9 1:3 0,45/0,5 140/130 19,0/12,2 33,2/20,9

10 0,5/0,53 170/170 - - 15,8/10,4 27,8/18,0

11 0,55/0,6 202/225 13,4/8,1 22,3/13,8

12 0,6/- 238/- 10,8/- 17,5/-

Установлено, что характер зависимостей прочности стеновых материалов на КГВ от величины В/Вяж подобен характеру этих зависимостей на портландцементе, при этом прочность на шлаке (в равноподвижных смесях) выше, чем на кварцевом песке.

Микроанализ структуры стеновых материалов и поэлементный химический анализ, ■ проведенный на растровом электронном микроскопе Teskan MIRA 3, показали (рис. 9), что основными кристаллическими новообразованиями являются двуводный гипс, кальцит и низкоосновные гидросиликаты кальция.

В МСМ со шлаком частицы объединены в непрерывную с упрочненными связями между кристаллами структуру (рис. 9, а). Имеющиеся поры практически полностью зарастают новообразованиями с мелкокристаллической структурой (<0,1 mkm), предположительно NaAlcitmiKaTOB, гидроалюмосиликатов, гидроалюмоферритов кальция и двуводного сульфата кальция, как результат твердения портландцемента и полуводного гипса. Наблюдается образование гидрокарбоалюминатов кальция, содержащих в своей формуле ионы С03 типа СаА12(С03)2(0Н)4-6Н20, а также увеличение контактной поверхности между кристаллогидратяыми новообразованиями, что приводит к повышению прочностных показателей материала.

а) б) в)

Рис. 9. Продукты гидратации мелкоштучных стеновых материалов (МСМ) в возрасте 1 года: а - на шлаке (КГВ с золой); б - на кварцевом песке (КГВ с золой); в - прессованных на кварцевом песке (КГВ со шлаком)

В МСМ с кварцевым песком образуется рыхлая структура со значительным количеством пор, а также крупными и мелкими порами между кристаллами новообразований (рис. 9, б).

В прессованных МСМ с кварцевым песком образуется более плотная мелкокристаллическая структура с мелкими порами между кристаллами новообразований (рис. 9, в). Гидросиликаты кальция приобретают морфологию дендритоподобных образований, создающих уплотненную оболочку вокруг частиц гипса.

Основным цементирующим веществом исследованных проб (рис. 10) является двуводный сульфат кальция (с1 = 7,63; 4,29; 3,8; 3,5...А), карбонат кальция. {(I = 2,088; 1,89...А), частично закристаллизованный тоберморито-подобный гидросиликат кальция (¿=3,07; 2,89; 2,785;1,98...А).

Накопление нерастворимых новообразований дает возможность гидравлического (сначала на воздухе, а затем и в воде) твердения МСМ на КГВ с золой или шлаком. Рентгенограмма содержит линии двух достаточно прочных разновидностей силикатов (альбита, анортоклаза типа К,Ыа(А151308) с основными отражениями (Л = 3,888; 3,283; 3,23; 2,983...А). В данном случае более информативными являются межплоскостные расстояния основных клинкерных минералов - алита и белита (с! = 2,78; 2,76.. .А), изменение формы которых наглядно показывает на степень их реакционной способности в данной системе, что показано на рис. 8, б и 10, б. Исходя из этих данных, установлено: в • исследуемых системах большая реакционная способность клинкерных минералов проявляется в системе КГВ и МСМ с золой-уноса, о чем свидетельствует большая деформация межплоскостных расстояний ((1 = 2,78; 2,76...А).

27, ООО 16,900 25,000' 24,000;

23,000 22,000! 21,000 ( 20,000'

18,000 17,000 16,000: 15,000' 1<,0«0', 13,000'

и.ооо:

Рис. 10. РФА мелкоштучных стеновых материалов на КГВ с золой-уноса (1) и со шлаком (2) Грозненской ТЭЦ (а) и сравнение профилей основных межплоскостных расстояний алита и белита (б) в КГВ с золой-уноса (1) и в

КГВ со шлаком (2)

В работе определялись прочностные и деформативные характеристики МЗБ, используемые в расчете конструкций - призменная прочность, модуль упругости и коэффициент Пуассона (табл. 10).

Таблица 10

№ п/п Обознач. серии образцов Средн. плотность, кг/м3 Кубик, прочн. 1^-куб, МПа Призм, прочн., &пр> МПа IV Модуль упруг. Еб, МПа Коэф. Пуассона Влажность, % мае. Возраст бетона

1 Гипс 1385 18,0 15,0 0,83 9050 0,19 1,8 28 сут тверд, на возд.

2 кгва 1520 19,3 17,1 0,88 9230 0,23 3,6

3 МЗБподв на песке 2080 16,2 14,8 0,91 14000 0,32 1,8

4 МЗБжест. на песке 2190 17,8 16,6 0,93 17300 0,3 1,6

Результаты испытаний показали, что при твердении МЗБ из подвижных бетонных смесей в течение 28-ми суток на воздухе с температурой 20±2 °С и относительной влажностью 60-70% показатель призменной прочности составил 14,8 МПа, показатель модуля упругости 14000 МПа, показатель коэффициента Пуассона 0,32, коэффициента призменной прочности (Япр/Икуб) -0,91 и не отличается резко от аналогичных показателей гипсобетона при влажности до 5%.

Снижение В/Вяж (с 0,45 до 0,28) для получения бетона из жестких смесей приводит к увеличению призменной прочности до 16,6 МПа, модуля упругости до 19300 МПа. Введение мелкого заполнителя в КПЗ, повышая плотность бетона, улучшает его деформативные свойства.

Показатели деформаций усадки МЗБ находятся в пределах требований нормативов, деформации набухания — интенсивно нарастают в течение первого месяца и превышают деформации усадки с последующей стабилизацией. Для МСМ из жестких смесей (состав КГВ: шлак =1:2) через полгода они не превышают соответственно 2,5 и 0,4 мм/м и имеют затухающий характер, для МСМ из подвижных смесей - 3,0 - 0,5 мм/м.

Способность МСМ на КГВ к гидравлическому твердению исследовалась в течение 90 суток по показателям их прочности на сжатие (табл. 11.).

Таблица 11

Показатели свойств МСМ на КГВ при твердении на воздухе и в воде*

№ п/п Обозначения составов Предел прочности при сжатии, МПа, в возрасте, сут Коэффициент размягчения, Кр, в возрасте, сут

7 28 60 90 7 28 60 90

1 МЗБ на песке 8,90 16,10 16,80 17,40 0,66 0,68 0,69 0,70

2 МЗБ на шлаке 9,80 17,20 17,60 18,00 0,68 0, 70 0,69 0,73

♦Из подвижных смесей на КГВ с золой-уноса

Установлено, что с течением времени предел прочности МСМ и коэффициент размягчения несколько повышаются. Получены стеновые материалы на основе местного сырья Чеченской республики, в том числе и техногенного, классов В10,;.В35 (в зависимости от состава и способа уплотнения) и коэффициентом размягчения 0,66...0,73. Инвестиционно привлекательна технология производства мелкоштучных стеновых материалов из подвижных бетонных смесей, как более простая и внедряемая, особенно для малого бизнеса.

Промышленная апробация результатов диссертационной работы осуществлена при индивидуальном жилищном строительстве предприятием ООО «Элитстрой» 3-х домов коттеджного типа в поселке Мичурина Октябрьского района Чеченской республики. Выпущена опытная партия стеновых блоков из МЗБ на. КГВ повышенной водостойкости с применением

золошлаковых отходов Грозненской ТЭЦ в количестве 5 тыс.шт. с общим объемом 163 куб.м.

Рис. 11. Цех по производству мелкоштучных стеновых материалов на ООО «Элитстрой» в г. Грозном

Экономическая эффективность производства стеновых мелкоштучных материалов достигается за счет использования местного природного и техногенного сырья, снижения себестоимости стеновых материалов, ускорения темпов строительства и упрощения технологии производства и составляет около 400 руб на 1 м бетона.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Установлен характер влияния кремнеземсодержащих компонентов из техногенного сырья ЧР на процессы структурообразования системы «гипс -цемент - золошлаковая минеральная добавка - СП - вода» при твердении водостойкого КГВ за счет синтеза крупных кристаллов двуводного гипса, выполняющих функцию регулируемого раннего схватывания и быстрого набора прочности. Гидратация клинкерных минералов обеспечивает за счет создания малорастворимых новообразований в ранее созданной структуре композита повышение его водостойкости. Дальнейший рост эксплуатационных характеристик обеспечивается новообразованиями 2-ой генерации гидросиликатов Са за счет взаимодействия выделяющегося шлака и ЦЕМ I 42,5Н Чири-Юртовского цементного завода. Подобный механизм гидратации КГВ минимизирует внутренние напряжения и объемные деформации, в связи, с чем уменьшается количество микротрещин, что приводит к повышению эффективности синтезируемого КГВ по сравнению с традиционно применяемым гипсовым вяжущим.

Показана закономерность изменения гранулометрии составляющих разных видов предлагаемых вяжущих. Интегральные кривые распределения частиц портландцемента и КГВ на основе шлака схожи, а график распределения частиц КГВ на основе золы смещается в области тонких фракций (1,1. ..40,45 мкм), что приводит к увеличению водопотребности на

14%. Введение суперпластификатора Полипласт СП-1 уменьшает водопотребность и приводит к росту прочности на сжатие на 17 %.

Установлено влияние микро- и макроструктуры на эксплуатационные характеристики мелкоштучных стеновых материалов. Структура композитов на основе жестких прессованных смесей отличается плотным мелкокристаллическим строением. Поры практически полностью заполнены нанозернистыми новообразованиями ЫаА1силикатов, гидроалюминатов, гидроалюмоферритов кальция, двуводного гипса и др. В системе матрицы диагностируются микровключения кварца, альбита, кальцита. Оптимизация строения матрицы МСМ приводит к повышению предела прочности при сжатии.

На основе результатов исследований разработаны: рекомендации по изготовлению изделий из мелкозернистого бетона на композиционном гипсовом вяжущем по СТО 02066340-017-2013; стандарт организации СТО 02066340-017-2013 «Композиционное гипсовое вяжущее с использованием золо-шлаковых отходов»; технологический регламент на производство композиционного гипсового вяжущего для мелкоппучных стеновых материалов. • '

Промышленная апробация результатов диссертационной работы осуществлена при индивидуальном жилищном строительстве предприятием ООО «Элитстрой» 3-х домов коттеджного типа в поселке Мичурина Октябрьского района Чеченской республики подтвердила экономическую целесообразность применения разработанных составов МЗБ на КГБ с минеральными добавками из золошлаковых отходов ТЭЦ г. Грозного.

Установлено, что стеновые материалы на КГВ показали себя наиболее экономичными в сравнении ¿.традиционным МЗБ на цементном вяжущем в расчёте на 1.клетку блоков. Все составы с использованием отходов показали экономию более 34%. Наиболее экономичным является состав МЗБ на КГВ с золой-уноса, с использованием в качестве заполнителя шлак.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Алфимова, Н.И. Модифицированное вяжущее / Н.И. Алфимова, Л.Ю.Вишневская, М.С. Шейченко, А.Х. Аласханов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. — 2010. - №2, - С.30-33.

2. Щ'ртозаев, С-А Ю. \ Особенности структурообразования и формирования прочности прессованного мелкозернистого бетона / С-А.Ю. Муртазаев С, М.Ш. Саламанова, А.Х. Аласханов // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. -2011. 2(21). -С.120- 125.

3. Муртазаев, С-А.Ю. Использование золошлаковых смесей ТЭЦ для производства композиционных гипсовых вяжущих / С-А.Ю. Муртазаев, Н.В. Чернышева, А.Х. Аласханов // Экология и промышленность России, июль 2013,- С.26-29.

4. Чернышева, Н.В. Сухие строительные смеси на основе КГБ [Текст] / Н.В. Чернышева, С.-А.Ю. Муртазаев, А.Х. Аласханов // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов (XIX научные чтения): материалы Международной научно-практической конференции, 5-8 октября 2010 г.- Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. - Ч.З. - С.288- 292.

5. Чернышева, Н.В. Минеральные добавки из техногенного сырья для производства гипсовых материалов и изделий [Текст] / Н.В. Чернышева, Е.В. Козеева, А.Х. Аласханов // Экология: образование, наука, промышленность и здоровье: материалы Международной научно-практической конференции, 15— 18 ноября 2011 г. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. - С.206-208.

6. Муртазаев, С-А.Ю. Стеновые материалы на основе гипсовых вяжущих и сырьевых ресурсов Чеченской Республики [Текст] / С-А.Ю. Муртазаев, А.Х. Аласханов, Н.В. Чернышева И Инновационные материалы и технологии (XX научные чтения): материалы Международной научно-практической конференции. Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. - С. 148-150.

7. Муртазаев, С-А.Ю. Разработка рецептуры композиционных гипсовых вяжущих с минеральными добавками из золы и шлака [Текст] / С-А.Ю. Муртазаев, А.Х. Аласханов, М.С. Сайдумов // Материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, посвященная 100-летию академика М.Д. Миллионщикова (научное издание). -Грозный, 2013. - С.165—178.

8. Муртазаев, С-А.Ю. Использование композиционных гипсовых вяжущих на техногенном сырье в производстве стеновых материалов/ С.-А.Ю. Муртазаев, Н.В. Чернышева, А.Х. Аласханов, М.С. Сайдумов// Труды Грозненского государственного нефтяного технического университета им. акад. М.Д. Миллионщикова. — Грозный, 2011. — вып. 11. - С. 161-167.

9. Сорокина, A.B. Композиционное гипсовое вяжущее с использованием золо-шлаковых отходов / A.B. Сорокина, А.Х. Аласханов // Экологические проблемы горнопромышленных регионов: материалы Международной молодежной конференции,- Казань: Изд-во КНИТУ, 2012. — С.232-235.

10. Аласханов, АЛ. Строительная индустрия и промышленность строительных материалов в Чеченской Республике [Текст] / А.Х. Аласханов, М.Ю. Дребезгова // Материалы Международной научно-технической конференции молодых ученых (посвященной 160-летию со дня рождения В.Г. Шухова). - Белгород: БГТУ, 2013, [электронный ресурс].

Автор выражает благодарность кандидату технических наук, доценту кафедры СМИиК БГТУ им. В.Г. Шухова Чернышевой Н.В. за активное участие и консультации в подготовке и обсуждении результатов работы.

Аласханов Арби Хамидович

МЕЛКОШТУЧНЫЕ СТЕНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ СЫРЬЯ ЧЕЧЕНСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук 05.23.05 — Строительные материалы и изделия

Подписано в печать 11.11.13. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,1. Тираж 110 экз. Заказ № 1983

ФГУП «Издательско-полиграфический комплекс . «Грозненский рабочий» 364026, ЧР, Грозный, ул. Интернациональная, 12/35

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова»

На правах рукописи

Аласханов Арби Хамидович

МЕЛКОШТУЧНЫЕ СТЕНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ СЫРЬЯ ЧЕЧЕНСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор Муртазаев С-А. Ю.

Белгород 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА..........................................................................................................................9

1.1 Минерально-сырьевая база развития стройиндустрии..........................................9

1.2 Жилищное строительство в Чеченской Республике..................................................21

1.3 Стеновые материалы на основе местного сырья Чеченской Республики................................................................................................................................................................25

1.4 Применение химических добавок в гипсосодержащих композициях... 29

1.5 Повышение водостойкости гипсовых вяжущих............................................................32

1.6 Выводы к главе..........................................................................................................................................36

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ................38

2.1 Методы исследований......................................................................................................................38

2.1.1 Рентгенофазовый анализ................................................................................................38

2.1.2 Изучение свойств мелкодисперсных материалов бетона................39

2.1.3 Определение кинетики тепловыделения........................................................43

2.1.4 Исследование микроструктуры................................................................................44

2.1.5 Изучение свойств бетонных смесей и бетона..............................................48

2.2 Применяемые материалы................................................................................................................49

2.3 Выводы к главе........................................................................................................................................53

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИНТЕЗА ВОДОСТОЙКИХ ВЯЖУЩИХ 54

3.1 Принципы структурообразования водостойких КГВ..........................................54

3.2 Разработка составов гипсосодержащих композиционных вяжущих (КГВ) с минеральными добавками из техногенного сырья............................59

3.2.1 Химический и минерально-фазовый состав зол и шлаков Грозненской ТЭЦ....................................................................................................................59

3.2.2 Влияние дисперсности кремнеземсодержащих добавок на свойства КГВ............................................................................................................................67

3.2.3 Необходимое количество активных минеральных добавок в составе КГВ................................................................................................................................71

3.3 Регулирование процессов твердения КГВ......................................................................73

3.3.1 Влияние добавки СаБО^ 0,5Н2О на свойства КГВ..................................73

3.3.2 Влияние химических добавок на свойства КГВ........................................74

3.4 Оптимизация структуры и состава КГВ............................................................................75

3.5 Выводы к главе........................................................................................................................................79

4. МЕЛКОШТУЧНЫЕ СТЕНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ ГИПСОВЫХ ВЯЖУЩИХ..........................................................81

4.1 Номенклатура и свойства мелкоштучных стеновых материалов................81

4.2 Проектирование состава мелкоштучных стеновых материалов на основе КГВ....................................................................................................................................................85

4.3 Изучение структуры мелкоштучных стеновых материалов........................94

4.4 Изучение деформативных свойств мелкоштучных стеновых материалов..................................................................................................................................................98

4.5 Технология производства мелкоштучных стеновых материалов

на КГВ............................................................................................................................................................99

4.6 Выводы к главе........................................................................................................................................103

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................................105

5.1 Разработка нормативных документов и внедрение результатов исследований............................................................................................................................................108

5.2 Расчет капитальных вложений на проведение НИР..............................................110

5.3 Сравнение экономической эффективности разработанных составов стеновых материалов........................................................................................................................114

5.4 Выводы к главе........................................................................................................................................117

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ........................................................................................................................................119

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................................................................121

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................................................................137

Приложение 1. Копия акта о выпуске опытной партии стеновых блоков..............138

Приложение 2. Копия акта о производственном внедрении стеновых блоков.. 139 Приложение 3. Копия рекомендаций по изготовлению изделий из мелкозернистого бетона на композиционном гипсовом вяжущем................140

Приложение 4. Копия технологического регламента на производство КГВ

для производства мелкоштучных стеновых материалов................146

Приложение 5. Копия стандарта организации..................................................................................156

ВВЕДЕНИЕ

Возрастающие темпы строительства в Чеченской Республике требуют значительного увеличения выпуска высококачественных строительных материалов, для изготовления и переработки которых требуется как можно меньше энергии и капиталовложений. К таким материалам относятся гипсовые вяжущие, наиболее эффективные с точки зрения энергоемкости производства и негативного воздействия на окружающую среду, а их твердение происходит интенсивно без тепловлажностной обработки.

Чеченская Республика (ЧР) обладает большими запасами природного и техногенного сырья для развития строительной индустрии. В горных районах сосредоточены значительные месторождения сырья для получения цемента, гипсовых вяжущих, мелкого и крупного заполнителя бетона. Накоплен огромный объем отходов промышленной деятельности - сотни тысяч тонн золошлаковых отходов, строительный лом и т.д. Их утилизация может внести весомый вклад в дело восстановления ЧР и охраны окружающей среды.

В настоящее время ЧР ощущает потребность во многих строительных материалах, особенно стеновых. При рациональном использовании имеющейся минерально-сырьевой базы на основе передовых технологий можно получить конкурентоспособную строительную продукцию, не уступающую зарубежным аналогам. Это в полной мере относится к получению гипсовых композиционных вяжущих, позволяющих значительно снизить дефицит стеновых материалов для восстановления и строительства разрушенных зданий и сооружений в ЧР.

Диссертационная работа выполнена в рамках тематического плана госбюджетных НИР Федерального агентства по образованию РФ, проводимого по заданию Министерства образования и финансируемого из средств Федерального бюджета на 2010-2014 гг.

Цель работы. Целью диссертационного исследования является повышение эффективности мелкозернистого бетона на основе гипсосодержащих композиционных вяжущих (КГВ) из техногенного сырья ЧР для производства мелкоштучных стеновых материалов (МСМ).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- изучение физико-механических свойств и особенностей природного и техногенного сырья ЧР и композиционных вяжущих на их основе с целью получения мелкозернистого бетона для стеновых материалов;

- оптимизация вещественного состава композиционных гипсовых вяжущих, получаемых из местного сырья;

- разработка составов и изучение свойств мелкозернистых бетонов, получаемых на основе композиционных гипсовых вяжущих для производства мелкоштучных стеновых материалов;

- разработка рекомендаций и создание энергосберегающей технологии производства стеновых материалов из мелкозернистого бетона на КГВ;

- подготовка нормативных документов для реализации экспериментальных исследований в промышленное производство и учебный процесс.

Научная новизна работы. Установлен характер влияния кремнеземсодержащих компонентов из техногенного сырья ЧР на процессы структурообразования системы «гипс - цемент — золошлаковая минеральная добавка - СП - вода» при твердении водостойкого КГВ. На первой стадии быстрый набор прочности системы осуществляется за счет синтеза крупных кристаллов двуводного гипса, одновременно выполняющих функцию регулируемого раннего схватывания.

В дальнейшем гидратация клинкерных минералов обеспечивает за счет создания малорастворимых новообразований в ранее созданной структуре композита повышение его водостойкости. А последующий рост эксплуатационных характеристик обеспечивается новообразованиями 2-ой генерации гидросиликатов Са за счет взаимодействия выделяющегося портландита при гидратации алита с рентгеноаморфными частицами золошлаковой смеси. Подобный механизм гидратации КГВ минимизирует внутренние напряжения и объемные деформации, в связи с чем уменьшается количество микротрещин, что приводит к повышению эффективности

синтезируемого КГВ по сравнению с традиционно применяемым гипсовым вяжущим.

Показана закономерность изменения гранулометрии составляющих разных видов предлагаемых вяжущих. Интегральные кривые распределения частиц КГВ на основе шлака и ЦЕМ I 42,5 Н Чири-Юртовского цементного завода близки между собой, а график распределения частиц КГВ на основе золы смещается в области тонких фракций (1,1...40,45 мкм), что приводит к увеличению водопотребности на 14 %. Введение суперпластификатора Полипласт СП-1 уменьшает водопотребность и приводит к росту прочности на сжатие на 17 %.

Установлено влияние микро- и макроструктуры на эксплуатационные характеристики мелкоштучных стеновых материалов. Структура композитов на основе жестких прессованных смесей отличается плотным мелкокристаллическим строением. Поры практически полностью заполнены нанозернистыми новообразованиями №А1силикатов, гидроалюминатов, гидроалюмоферритов кальция, двуводного гипса и др. В системе матрицы диагностируются микровключения кварца, альбита, кальцита. Оптимизация строения матрицы МСМ приводит к повышению предела прочности при сжатии на 15-20 %, росту модуля упругости, коэффициента Пуассона и призменной прочности.

Достоверность результатов работы и выводов обеспечена систематическими исследованиями с применением стандартных средств и методов измерения, использованием комплекса современных физико-химических методов анализа, статистической оценки результатов экспериментов, достаточным объемом исходных данных и результатов исследований. Полученные данные не противоречат известным положениям строительного материаловедения и результатам исследований других авторов.

Практическое значение работы. Предложена рациональная область использования тонкомолотых золошлаковых отходов ТЭЦ в качестве активных минеральных добавок при производстве КГВ.

Установлена возможность получения композиционных вяжущих и мелкозернистого бетона для стеновых материалов на основе природного и техногенного сырья ЧР.

Подтверждена эффективность применения в качестве заполнителя для производства МСМ из мелкозернистого бетона на основе КГВ местных песков и золошлаковых отходов Грозненской ТЭЦ.

Разработана широкая номенклатура составов для производства МСМ.

Внедрение результатов исследований. Для широкомасштабного внедрения результатов научно-исследовательской работы при производстве мелкоштучных стеновых материалов из мелкозернистого бетона разработаны нормативно-технические документы: рекомендации по изготовлению изделий из мелкозернистого бетона на композиционном гипсовом вяжущем; стандарт организации СТО 02066340-017-2013 «Композиционное гипсовое вяжущее с использованием золошлаковых отходов»; технологический регламент на производство композиционного гипсового вяжущего для мелкоштучных стеновых материалов.

Внедрение проведенных исследований в промышленных условиях осуществляли на предприятии ООО «ЭЛИТСТРОЙ» г. Грозного ЧР. Выпущены опытно-промышленные партии стеновых камней из мелкозернистого бетона на КГВ.

Результаты работы использовались при реализации федеральной целевой программы «Восстановление экономики и социальной сферы ЧР на 2010 и последующие годы», в рамках которой построено три дома коттеджного типа в поселке Мичурина Октябрьского района ЧР.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», а также бакалавров и магистров по направлению «Строительство».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на: Международных научно-практических конференциях «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов (XIX научные чтения)» (г. Белгород, 2010 г.); «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (г. Белгород, 2011 г.); «Инновационные материалы и технологии (XX научные чтения, 2011 г.); «Экологические проблемы горнопромышленных регионов» (г. Казань, 2012 г.); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, посвященная 100-летию академика М.Д. Миллионщикова (г. Грозный, 2013 г.).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 10 научных публикациях, в том числе в трех статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы из 146 наименований и 5 приложений. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, включает 37 таблиц, 22 рисунков и фотографий.

На защиту выносятся:

- принципы проектирования мелкозернистого бетона для мелкоштучных стеновых материалов на основе техногенного сырья ЧР с применением КГВ;

- структурные особенности и свойства техногенного сырья ЧР, получаемых на их основе КГВ и мелкозернистых бетонов для стеновых материалов;

- оптимальные области составов КГВ с минеральными добавками золы-уноса и шлака;

- результаты экспериментально-теоретических исследований основных физико-механических свойств мелкозернистых бетонов на КГВ и технология производства мелкоштучных стеновых материалов на их основе.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 1.1 Минерально-сырьевая база развития стройиндустрии

С переходом России на инновационное развитие экономики, когда российский рынок стройматериалов переполнен продукцией зарубежных производителей, многие предприниматели и крупные компании всерьез задумались о развитии более экономичного и мобильного ее производства [1-5].

В связи с этим назрела необходимость привлекать в проекты строительства новые эффективные разработки, шире применять местные строительные материалы, использовать эффективные строительные системы быстровозводимых зданий. При этом нельзя забывать, что жилье должно быть не только доступным, но и комфортным. Комфортность жилья в первую очередь определяется экологической безопасностью применяемых материалов. Поэтому выбор материалов для возведения зданий должен осуществляться с учетом всех факторов [6-11].

Перспективным направлением развития в ПСМ являются строительные материалы и изделия, изготовляемые на основе гипсовых вяжущих (ГВ), которые отвечают всем современным требованиям: по огнестойкости, звукопоглощению, по экологической оценке норм Международных стандартов, учитывающих все этапы жизненного цикла изделия, начиная от добычи сырья и кончая утилизацией, по гигиеническим требованиям и степени безопасности для здоровья населения [12-17].

Потребность в гипсовых вяжущих практически полностью обеспечивается за счет разработки месторождений природного гипсового камня. Российская Федерация располагает уникальной по мировым масштабам минерально-сырьевой базой производства гипса, разведанные запасы которой составляют около половины мировых запасов. Распределение месторождений и запасов гипсового сырья по федеральным округам Российской Федерации приведено в таблице 1.1 [18].

Таблица 1.1

Распределение месторождений и запасов гипсового сырья по федеральным округам

Федеральный Округ Количество месторождений, шт Запасы

Всего Эксплуатируемые млн.т доля от запасов России, %

Центральный 6 1 1850,7 56,5

Северо-Западный 3 - 47,1 1,4

Южный 20 6 308,6 9,4

Приволжский