автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Модифицирование наполненных неорганических вяжущих веществ химическими добавками растительного происхождения

На правах рукописи

УМАРОВ Улугбек Худжакулович

МОДИФИЦИРОВАНИЕ НАПОЛНЕННЫХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ ХИМИЧЕСКИМИ ДОБАВКАМИ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

05,23.05 — Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 КОЯ ¿013

Ростов-на-Дону - 2013 г.

005537890

005537890

Работа выполнена на кафедрах «Производство строительных материалов, технология и организация строительства» и «Химическая технология неорганических веществ» Таджикского технического университета имени академика М.С.Осими Министерства образования Республики Таджикистан

Научный руководитель: Саидов Джамшед Хамрокулович,

кандидат технических наук, доцент,

Перцев Виктор Тихонович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет», профессор кафедры «Технология строительных материалов, изделий и конструкций»

Удодов Сергей Алексеевич кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Производства строительных конструкций и строительной механики» ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный

строительный университет»

Зашита состоится «6» декабря 2013 г. в 10й5 часов на заседании диссертационного совета Д 212.207.02 при ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет» по адресу: 344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая. 162, РГСУ, главный корпус, ауд. 232.

Тел/факс. 8-863-263-53-10; 201-90-57. e-mail: dis_sovet__rgsu@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет» и на сайте www.rgsu.ru.

Автореферат разослан «01» ноября 2013 г.

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

А.З. Налкмова

- ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Производство неорганических вяжущих материалов (НВМ) и строительных изделий и конструкций на их основе относится к наиболее энергоёмким. Возрастание стоимости энергоносителей, которое наблюдается в последние-тЬды, делает расточительным применение неорганических вяжущйх веществ по их прямому назначению в чистом виде. Наиболее эффективным является применение наполненных вяжущих веществ, т.е. вяжущих материалов, составленных из неорганических вяжущих и минеральных наполнителей, другими словами - минеральных добавок (МД). Применение наполненных неорганических вяжущих веществ (ННВВ) способствует снижению .энергоёмкости производства строительных компо-

; ЗИЦИЙ. .... , . . ... ,

Наполненные неорганические вяжущие вещества - это в основном цементные и гипсовые вяжущие, содержащие минеральных добавок, которые играют роль микронайолнителя в структуре образующегося искусственного камня при гидратации И твердении минералов состава вяжущего. Наполненные минеральными добавками неорганические вяжущие вещества являются основными компонентами состава сухих строительных смесей (ССС). Республика Таджикистан имеет богатое месторождение сырьевых материалов для получения'неорганических вяжущих веществ, однако производство самих материалов ограниченно.

• Наиболее рациональным способом улучшения технологических качеств наполненных1 неорганических вяжущих веществ и эксплуатационных свойств строительных композиций на их основе является введение в их состав многофункциональных Химических добавок, полученных из раститель-" ного сырья. Представителями растительного сырья, пригодными для получения химических добавок,'могут быть стебли хлопчатника, рисовая лузга, картофель, кукуруза,'лесоматериалы и т.п., которые ежегодно используются в различных отраслях промышленности в огромных количествах. В настоящее время некоторые из названных веществ используются также для производства химических добавок к вяжущим веществам.

В литературе недостаточны научно обоснованные экспериментальные данные, которые позволили бьт провести непосредственное внедрение химических добавок на основе растительного сырья для модифицирования наполненных неорганических вяжущих материалов в производствах строительных композиций. Недостаточны также данные по определению влияния химических добавок из растительного сырья на реологические свойства цементов и гипсовых вяжущих, технологических и технических свойств строительных смесей на их основе, не. изучены механизмы влияния химических добавок на компоненты состава наполненных вяжущих. Выяснение указанных вопросов требовало выполнению исследований по данной работе.

Цель и задачи исследования:

Целью данной работы является модифицирование наполненных неорганических вяжущих веществ химическими добавками на основе местного растительного сырья Республики Таджикистан.

Исходя из поставленной цели задачами исследования являются:

- выбор химических добавок, полученных из местных растительных видов сырья Республики Таджикистан;

■ - исследование основных свойств бетонов и строительных растворов на модифицированных химическими добавками наполненных гипсовых и цементных вяжущих;

- нахождение оптимальных содержаний минеральных наполнителей и химических добавок в составах гипсовых и цементных вяжущих;

- выяснение предполагаемых механизмов влияния минеральных наполнителей и химических добавок на повышение качества неорганических вяжущих и строительных композиций на их основе;

- опытно-промышленное испытание оптимальных составов модифицированных наполненных неорганических вяжущих в производстве некоторых строительных изделий.

Научная новизна работы:

- обоснована целесообразность модифицирования гипсовых и цементных вяжущих химическими добавками: декстрином, модифицированным лигносульфонатом техническим (МЛСТ), щелочным экстрактом стеблей хлопчатника (ЩЭСХ) и щелочным экстрактом рисовой лузги (ЩЭРЛ) и армирующей добавкой: микрокристаллической целлюлозой из хлопкового лин-та, полученными из растительного сырья, и минеральными наполнителями из отходов обогащения флюоритовых руд и керамзитовой пыли.

- установлено, что ЩЭСХ и ЩЭРЛ являются эффективными регуляторами схватывания гипсовых и цементных вяжущих. Они изменяют водопо-требность и времени схватывания как чистых, так и наполненных минеральными добавками неорганических вяжущих веществ, и в оптимальных количествах способны регулировать время схватывания вяжущих без ущерба их прочности.

- установлено, что более эффективными минеральными наполнителями цементных вяжущих являются отходы обогащения флюоритовых руд и керамзитовая пыль, их содержание можно варьировать в составе цементного вяжущего до 20% для повышения или сохранения прочности бетона. Выявлена возможность совместного их использования в качестве комплексного наполнителя до 25...30 % состава цементного вяжущего без ущерба в снижении прочности бетона;

- выяснено, что модифицированные химическими добавками наполненные цементные вяжущие обеспечивают более повышенную прочность бетона чем цементы без добавок или цементы с минеральными или химическими добавками в отдельности. По степени влияния на ускорение сроков твердения бетона химические добавки можно располагать в ряд «МЛСТ -

декстрин - ЩЭСХ», однако в более поздние сроки твердения образцы бетона с добавками декстрина и ЩЭСХ приобретают очень высокие показатели прочности, достигая прочности бетона с МЛСТ.

- подтверждено, что модифицирование наполненных неорганических вяжущих химическими добавками растительного происхождения позволяет уменьшить удельный расход гипса до 29...41% и цемента до 25...30% при получение соответствующих сухих строительных смесей, имеющие оптимальные параметры по времени схватывания и подвижности теста. Такие смеси обеспечивают получению более высокопрочных изделий и конструкций, чем вяжущие их состава без добавок.

Практическая ценность работы:

- модифицированные наполненные цементные вяжущие можно использовать для производства высокопрочных и коррозионностойких бетонных изделий и конструкций в гидротехническом, дорожном, ирригационном и других подобных сооружениях;

- модифицирование вяжущих минерально-химическими добавками снижает энергоёмкость производства и себестоимости строительных изделий и конструкций на их основе. Снижение содержания гипса в составе вяжущего составляет до 41%, а цемента - до 30%;

- результаты данных исследований имеют не только технико-экономические значения, но имеют также экологическое значение, поскольку отходы других производств утилизируются в производствах вяжущих материалов.

Результаты исследований апробированы и внедрены:

- в АООТ "Хонасоз-4" («Домостроитель-4»), при разработке ресурсосберегающей технологии получения бетонных изделий и конструкций;

- в Агентство по строительству и архитектуре при Правительстве Республики Таджикистан, ряд нормативных рекомендательных документов, как справочные материалы и при составлении методики проектирования и расчета по технологии производства строительных материалов, изделий и конструкций на основе местного сырья, отходов и вторичных ресурсов;

- в Таджикском техническом университете имени академика М.С.Оси-ми Министерства образования Республики Таджикистан при разработке комплексного модуля НИР по новым материалам, конструкциям и технологиям.

Некоторые результаты исследований, представленные в диссертации, нашли также отражение в научно-технических отчетах НИР, выполненных в 2000-2005 гг. в Таджикском техническом университете имени академика М.С.Осими по тематическому комплексу: «Разработка и внедрение эффективных строительных материалов из местных видов сырья».

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты анализа исследований по определению состояния и перспективы использования наполненных неорганических вяжущих и их модифицирование минерально-химическими добавками;

- результаты системного исследования по модифицированию составов наполненных гипсовых и цементных вяжущих химическими добавками на основе растительного сырья: декстрином, модифицированным лигносуль-фонатом техническим (МЛСТ), щелочным экстрактом стеблей хлопчатника (ЩЭСХ) и щелочным экстрактом рисовой лузги (ЩЭРЛ) и армирующей добавкой: микрокристаллической целлюлозой из хлопкового линта;

- данные рентгенофазового анализа процесса структурообразования материалов на основе наполненных гипсовых и цементных вяжущих веществ с химическими добавками растительного происхождения в различные сроки гидратации и твердения;

- результаты экспериментальных исследований по определению влияние химических добавок на свойства наполненного гипсового и цементного вяжущих микрокристаллической целлюлозой, керамзитовой пылью и декстрина;

- данные по определению влияния минерально-химических добавок на коррозионностойкость цементных бетонов с применением промышленных отходов;

- методика расчета рационального состава наполненных гипсовых и цементных вяжущих веществ по соотношениям составляющих компонентов в зависимости от применения химических добавок растительного происхождения;

- результаты исследований по выяснению физико-химических механизмов влияния химических добавок растительного происхождения на свойства наполненных вяжущих веществ;

- технико-экономическое обоснование использования наполненных гипсовых и цементных вяжущих веществ с химическими добавками растительного происхождения для производство энерго- и ресурсосберегающих строительных материалов на основе местного сырья (для условий Республики Таджикистан).

Достоверность исследований обеспечена:

- применением методик, регламентированных действующими стандартами;

- необходимым объемом экспериментальных данных, а также идентичностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, полученных с помощью поверенного лабораторного оборудования и расчетно-аналитическим методом исследования свойств разработанных материалов с использованием современной вычислительной техники и программного обеспечения при обработке экспериментальных данных.

Вклад автора заключается, под руководством научного руководителя, в научном обосновании выбора объектов исследований, разработка методик и программ экспериментальных исследований, а также в непосредственном участии на всех этапах исследования, интерпретации, анализ и обобщение результатов, получение новых и уточнение известных зависимостей, участие в формулировании выводов и подготовке публикаций, организация и участие в производственном внедрении.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы обсуждались на Республиканской научно-технической конференции (НПК) «Пути развития промышленности строительных материалов республики» (г.Душанбе, 2003), Республиканской НПК «Основные направления переработки местного сырья и пути увеличения строительных материалов» (г.Душанбе, 2003), Международной НПК «Перспективы развития науки и образования в 21веке» (г.Душанбе, 2008), Республиканской НПК «Современные проблемы химической технологии и металлургии» (г.Душанбе, 2009), Международной НПК «Перспективы развития науки и образования» (г.Душанбе, 2010), Республиканской НПК «Проблемы современной химии, химической технологии и металлургии» (г.Душанбе, 2011), Республиканской НПК «Современные проблемы химии, химической технологии и металлургии», посвященной. 20-летию независимости Республики Таджикистан и 55-летию ТТУ имени академика М.С.Осими (г.Душанбе, 2011); Республиканской НПК «Энерго- и ресурсосбережение при использовании природных ресурсов в энергетике и промышленности» (г.Курган-тюбе, 2012г.); Международной НПК «Архитектурное образование и архитектура Таджикистана: 50 лет развития и совершенствования» (г.Душанбе, 2013г.).

Данные исследования проводились в рамках выполнения НИР по госбюджетным темам Агентства по Строительству и Архитектуры при Правительстве Республики Таджикистан «Малоэнергоёмкие технологии получения сухих смесей из вяжущих местного производства» (г.Душанбе, 2008 г.) и «Разработка технологии повышения качества гипсовых строительных изделий с использованием местных добавок (г.Душанбе, 2009 г.)

Публикации: Основное содержание диссертационной работы изложено в 23 статьях - 8 в журналах (0,74 пл.), из них 5 (0,58 п.л.) - в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК, 14 (1,32 п.л.) - в материалах научных конференций и 1 (0,13 пл.) в научных трудах в различных изданиях,

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 141 наименований на русском и иностранных языках и 3 приложений. Общий объем диссертационной работы состоит из 133 страниц компьютерного набора. Основной текст диссертации изложен на 127 страницах, включая 17 таблиц и 27 рисунков.

Автор выражает глубокую признательность за научные консультации д.т.н., профессору А. Шарифову и д.т.н., профессору Г.В. Несветаеву.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, научная гипотеза, обозначены научная новизна и практическая значимость работы, перечислены основные выносимые на защиту положения и результаты.

В первой главе приведен литературный анализ по наполненным неорганическим вяжущим и их модифицирование минерально-химическими добавками. Определена цель и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе «Объекты и методы исследований» приведены основные характеристики объектов, а также применяемые методы исследования. Объектами исследования данной работы являются гипсовые и цементные вяжущие, минеральные и химические добавки, строительные композиции на их основе, а также отходы обогащения флюоритовых руд Такобского ГОК, керамзитовая пыль, молотый известняк, цементная пыль и микрокристаллическая целлюлоза из хлопкового линта.

Технология пол учения микрокристаллической целлюлозы из отходов хлопчатника была разработана в Институте химии им. В.И.Никитина АН Республики Таджикистан. Характеристики МКЦ: содержание а-целлюлозы -98...99%; средняя степень полимеризации - 150...160; белизна 92. ..94%; степень кристалличности 88...92%; зольность 0,17%; влажность 4,2%; средняя плотность 1,527 г/см3; удельная поверхность > 100 м2/г. В составе МКЦ содержание восстанавливающих СО-групп не превышает 0,4%, карбоксильных 1,0%. Функциональный состав МКЦ : СНО - 0,035%, СООН - 0,16%.

В третьей главе «Свойства гипссодержащих наполненных вяжущих с химическими добавками растительного происхождения» приведены результатов нижеследующих исследований: свойства гипсовых вяжущих с регулятором схватывания из щелочного экстракта стеблей хлопчатника; влияния щелочного экстракта стеблей хлопчатника на свойства наполненного гипсового вяжущего микрокристаллической целлюлозой и отходом обогащения флюоритовых руд; влияния химических добавок на свойства наполненного гипсового вяжущего микрокристаллической целлюлозой и керамзитовой пылью; влияния ЩЭСХ на свойства наполненного гипсового вяжущего микрокристаллической целлюлозой и керамзитовой пылью; свойства гипса и наполненного гипсового вяжущего с добавкой декстрина.

ЩЭСХ был исследован в составе строительного гипса Г-2 в качестве регулятора схватывания. При нормальной густоте гипсового теста 58,3% варьировали содержание ЩЭСХ от 0,05 до 1,5% от массы гипса. Исходный гипс схватывается в течении 5...8 мин, образуя гипсовый камень с прочностью 2,4 МПа. При содержаниях добавки 0,05...1,5% время схватывания гипса возрастает от 14. ..18 мин до 428...441 мин. При содержаниях добавки до 0,5% происходить возрастание прочности гипсового камня с 2,4 до 2,98 МПа, при расходах добавки 0,75...1,25% прочность гипсового камня стабилизируется на уровне 2,4...2,45 МПА, затем, при возрастании расхода ЩЭСХ до 1,5%, она снижается до 2,0 МПа.

Для получения равноподвижных смесей с диаметром 18 см регулированием расхода химической добавки можно уменьшить нормальную густоту гипса до 41,7...43,3%. При этом прочность гипсового камня возрастает до 5,23 МПа (содержание добавки 0,5%, нормальная густота гипса 45%), а сроки схватывания гипсового теста возрастают до 415...426 мин (содержание добавки 1,5%, нормальная густота 55%).

Аналогичные исследования по выяснению влияния добавки на свойства гипсовых вяжущих проведены и с использованием гипса марки Г-6. Сроки схватывания гипсового теста возрастают с 8...11 мин до 238...249 мин, а прочность гипсового камня при испытаниях через 24 ч изменяется в пределах 6...7,2 МПа. Через 3 сут твердения происходит дальнейшее упрочнение структуры гипсового камня с существенным возрастанием его прочности до 7,3...8,8 МПа против 7,1 МПа для гипса без добавки.

На рис. 1 представлены результаты совместного влияния щелочного экстракта древесины хлопчатника и микрокристаллической целлюлозы хлопкового линта на сроки схватывания гипсового вяжущего марок Г-2 и Г-6. Сроки схватывания вяжущих с добавками возрастает с 18...22 мин до 41... 102 мин для гипса Г-2 и с 9... 12 мин до 52...86 для гипса Г-6. Возрастает также прочность гипсобетона как в сухом, так и водонасыщенном состоянии. Прирост прочности модифицированного добавками вяжущего достигает до 30%.

Дальнейшее исследование выражалось в изучение свойств гипсовых вяжущих при комплексном введении минерально-химических добавок из ЩЭСХ, микрокристаллической целлюлозы и наполнителей из отходов обогащения флюоритовых руд и керамзитовой пыли.

Ciponwaidt mie 100 98,5 »8,8 98,7 98,7 98,9 98,7 99,1 98,9

ЩеоочтЯмлракг • 1,0 0,7 1,0 0,8 0,6 0,6 0,6 0,8

Мдртчжшпкаи 0,5 ¡У 0,3 0,5 0,5 0,7 0,3 0,3

100 98,9 99,1 98,7 98,7 98,9 98,8

- 0,4 0,6 0,6 0,8 0,8 0,7

• 0,7 0,3 0,7 0.S 0,3 0,5

Состав вяжущего, % Состав вяжущего, %

Рис. 1. Сроки схватывания вяжущего на основе строительного гипса Г-2 (а) и Г-6 (б): 1 - начало схватывания; 2 - конец схватывания.

Введение минеральной добавки из отхода обогащения флюоритовых руд увеличивает и сроков схватывания наполненного вяжущего и его прочность по сравнению показателями гипса с микрокристаллической целлюлозой и ЩЭСХ. Возрастание прочности гипсового камня с комплексной минерально-химической добавкой достигает до 30% при одновременном уменьшении расхода строительного гипса в составе наполненного вяжущего до 40%. Эти показатели свидетельствуют об эффективности применения названных минерально-химических добавок как в отдельности, так и совместно, для модифицирования составов и свойств гипсовых вяжущих с целью получения комплексных строительных смесей. На рис. 2 приведены результаты исследования свойств гипсовых вяжущих при совместном использование комплексных добавок

§ 3,5

«г ,

8

ч-

м 2,5

I 2

1,5

1

6)

, 4

т

СтрсдтотьацЙ пшс Г-2 58,7 61,6 64,7 66,0 67,1 69,8 100

ЩйООЧЯЫЙ ястрвгг Лрдесмм хаошнпац 0,3 0.5 0,9 0,8 0,6 0.5 -

Мироаркспхпмаоа пшмшмишшмплоа 0,3 0,6 0,6 0,5 0,7 0,7 -

Оссаж обогавапа фяюор^тш руж 40,7 37,3 53,8 32,7 31,6 29,0 -

58,7 61,6 64,7 66,0 67,1 69,8 100

0,3 0,5 0,9 0,8 0,6 0,5 •

0,3 0,6 0,6 0,5 0,7 0,7 -

40,7 373 33,8 32,7 31,6 29,0 ■

Состав наполненного вяжущего, % Состав наполненного вяжущего, %

Рис. 2. Сроки схватывания наполненного вяжущего (а) и прочность гипсобетона (б): 1 - начало схватывания; 2 - конец схватывания; 3 - при изгибе;

4 - при сжатии.

Первоначально определили влияние керамзитовой пыли на упрочнение структуры гипсового камня. Введение керамзитового наполнителя в составе строительного гипса в количествах от 5 до 20 % повышает прочность гипсового камня от 13 до 43%. Особенно возрастает прочность гипсового камня в высушенном состоянии.

Не изменяя водовяжущее отношение (В/В), исследовали влияние комплексных добавок на сроков схватывания гипсового теста, прочности гипсобетона в воздушно-сухом и водонасыщенном состояниях (рис. 3).

»Г 3,5

а

1,5

I,

/-3

Страягкаши! пшо 88,5 88,7 94,3 88,9 91,3 93,7 88,3 100

Ксриветош* пыль 10 10 5,0 10 7,5 5 10 -

Мяхражряспипвасы Шипш кз ыаавоааго «жнл 0.5 0,5 0,3 0,7 0,5 0,7 0,7 -

ЩевочвыЙ »«стрит држопны ыопшава 1,0 0,8 0,4 0,4 0,7 0,6 1,0 -

я Ч

II

/

) N

94,3 88,7 88,5 88,9 913 93,7 88,3 ЮО

5,0 10 10 10 7,5 5 10 -

0,3 0,5 0,5 0,7 0,5 0,7 0,7 -

0,4 0,8 1,0 0,4 0,7 0,6 1,0 -

Состав гипсового вяжущего, % Состав гипсового вяжущего, %

Рис. 3. Прочность сухого (а) и водонасыщенного (б) гипсобетона: 1 - при изгибе; 2 - при сжатии.

Наполненное керамзитовой пылью гипсовое вяжущее имеет время схватывания в пределах 36....82 мин, когда строительный гипс его основы схватывается в пределах 18...22 мин. На увеличение сроков схватывания гипсового вяжущего в основном влияет расход химической добавки. С увеличением содержания щелочного экстракта древесины хлопчатника с 0,4 до 1% возрастание времени схватывания вяжущего происходит в среднем в 2 раза.

Минерально-химические добавки благоприятно влияют на снижение водопоглощения гипсобетона и повышения его прочности. Водопоглощение гипсобетона из наполненного вяжущего всего 0,71-1,2%, когда водопоглощение камня из строительного гипса 2,5-3,6%, что в 3-3,5 раза больше. Модифицированное наполненное гипсовое вяжущее имеет более высокие показатели прочности как в воздушно-сухом, так и в водонасыщенном состояниях. Прирост его прочности составляет до 46%. Коэффициент размягчения камня из наполненного вяжущего 0,91...0,985, что свидетельствует о том, что исследуемые составы наполненного гипсового вяжущего позволяют получить водостойкие гипсовые изделия. Причём, в составе наполненного гипсового вяжущего содержание строительного гипса снижено до 10%.

Декстрин как химическую добавку вводили в состав строительного гипса Г-4 при соотношении Н20:гипс = 0,57. При содержаниях декстрина от 0,15% до 0,6% подвижность гипсового теста возрастает с 18 до 24 см, затем

при расходах декстрина до 1% - снижается до 18 см. В то же время, прочность гипсобетона при сжатии практически стабильна при всех дозировках декстрина и на 16...26% превышает прочность гипса без добавки.

В работе определено, что при дозировках декстрина 0,01...0,03% прочность гипсового камня существенно возрастает, при дальнейшем увеличении расхода химической добавки наблюдается тенденция снижения прочности гипсового камня при сохранении высоких значений. Химическая добавка способствовала повышению прочности гипсового вяжущего до 70%.

В качестве минеральной добавки использовали керамзитовую пыль. Принимая оптимальное содержание декстрина в составе гипсового вяжущего 0,03%, содержание минеральной добавки варьировали от 5 до 20%. При этом, подвижность гипсо-керамзитового теста сохранила постоянство в пределах 17... 18 см, в то же время, происходило возрастание прочности гипсового камня от 34 до 70%.

Результаты экспериментальных исследований подтверждают об эффективности модифицирования гипсовых и наполненных гипсовых вяжущих щелочным экстрактом стеблей хлопчатника и декстрином для регулирования сроков схватывания, повышения прочности и водостойкости гипсового камня и уменьшения удельного расхода строительного гипса в составе вяжущего. Эффективность химических добавок в составе гипсовых вяжущих более проявляется: для декстрина при расходах от 0,01 до 0,1%, а для ЩЭСХ от 0,1 до 2,0% от массы вяжущего материала. Большие расходы ЩЭСХ (1...2%) желательны для получения гипсовых смесей с удлинёнными до 4...7 часов временами схватывания.

В четвертой главе «Влияние химических добавок растительного происхождения на свойства наполненных цементных вяжущих» приведены следующее: исследование влияния химических добавок на реологические свойства цемента, технологические и технические свойства бетона; наполненные цементные вяжущие на основе местных минеральных материалов и промышленных отходов — цементные вяжущие с одним и комплексным минеральным наполнителем; исследование влияния химических добавок растительного происхождения на свойства наполненных цементных вяжущих и бетонов; о предполагаемых механизмах влияния химических добавок растительного происхождения на свойства наполненных вяжущих веществ.

В данном разделе работы проведено исследование влияния химических добавок на основные свойства цементов, бетонной смеси и бетона. В качестве химических добавок использовали ЩЭСХ, а для сравнения - ЩЭРЛ. Обе добавки, оказывая некоторое пластифицирующее влияние на состояние цементного теста, снижает нормальную густоту цементов от 24...24,5% до 20,5...20,25% и увеличивают сроков их схватывания.

В регулирование сроков схватывания цементов имеется взаимосвязь между составом цемента и расходом химической добавки: экстрагируемые вещества стеблей хлопчатника сначала, по мере возрастания их содержания в составе цемента, снижают сроки схватывания теста, затем их влияние посте-

пенно убывает, однако для обычного портландцемента влияние добавки на начало схватывания теста сохраняется и при больших расходах. Время схватывания портландцемента при дозировках добавки до 0,4% резко снижается, при дозировках добавки 0,4...0,6 % стабилизируется на уровне: начало схватывания 40-45 мин, а конец схватывания 100-110 мин, затем при дозировках добавки до 0,8... 1,0% время схватывания цементного теста имеет тенденцию резкого увеличения. Для низкоалюминатного сульфатостойкого цемента также при дозировках добавки до 0,2 % резко снижаются сроки схватывания теста, затем происходит их возрастание. Эффективность ЩЭРЛ в снижении времени схватывания цементов выше чем влияние добавки из стеблей хлопчатника: уже при дозировках 0,1. ..0,3% ЩЭРЛ начало схватывания цементов уменьшается до 20...25 мин.

Повышение прочности бетона благодаря модифицирующим действиям ЩЭСХ на свойства цемента способствует также возрастанию коррозионно-стойкости цементного камня при воздействии агрессивных веществ на бетон. Коррозионностойкость цементного камня с добавкой экстрагируемых веществ стеблей хлопчатника исследовали путём хранения образцов бетона состава 1:1,51:2,57:0,4 (цемент:песок:щебень:вода), твердевших 28 сут в нормальных условиях, в дистиллированной воде и в растворе 0,25 моль/л H2S04 при удельном расходе агрессивного раствора 1,7 л на один образец в течении до 180 суток. Отработанную воду и раствор кислоты меняли на свежие порции через каждые 20 суток нахождения образцов бетона в них.

Экспериментальные результаты показали, что коррозионностойкость бетона с добавкой ЩЭСХ при ее содержаниях от 0,1 до 0,4 % выше стойкости образцов бетона без добавки. В дистиллированной воде происходит не разрушение образцов, а возрастание их прочности и стойкости. Коэффициент стойкости бетона возрастает от 0,88 до 1,07.

Разрушение образцов бетона происходит в растворе H2S04, однако при этом прочность и коэффициент стойкости образцов с добавкой для всех её содержаниях в составе цемента значительно больше аналогичных показателей свойств бетона без добавки. Даже после 180 сут нахождения образцов в растворе H2S04 коэффициент стойкости бетона с добавкой свыше 0,6.

При исследование состава бетонной смеси: 1:3,33:1,79:0,49 (цементное вяжущее:щебень:песок:вода) ведением от 5 до 30% минеральной добавки из отходов обогащения флюоритовых руд в составе вяжущего обнаружено, что в начальные сроки твердения до 14 сут с увеличением содержания минерального наполнителя в составе вяжущего прочность бетона ниже показателя образца без добавки, однако при дальнейшем твердении образцов при расходах минерального наполнителя до 15...20% происходит повышение прочности образцов с добавкой. К 180 сут возрасту прочность образцов с 5...20% минерального наполнителя достигает32,3...35,5 МПа против 33,4 МПа для бетона без добавки. Совместный помол минеральной добавки с цементом является более эффективным: при этом прочность бетона с добавкой к 180 сут твердения возрастает до 33,5. ..46,4 МПа.

Наполненное цементное вяжущее получили также при использовании минеральных добавок из Харангонского известняка и цементной пыли Душанбинского завода. Эффективность применения известняка и цементной пыли в качестве минеральной добавки цементов значительно ниже по сравнению с применением керамзитовой пыли и отходов обогащения флюорито-вых руд: известняк может заменить всего до 15% цемента, а цементная пыль не более 10%. Поэтому, в дальнейших исследованиях данной работы не были продолжены применения данных видов минерального вещества в качестве наполнителей цементов.

Вяжущие с комплексными минеральными наполнителями использовали для приготовления бетона состава 1:1,51:2,57:0,4 (цементное вяжу-щее:песок: щебенывода). При расходах комплексной добавки 10...26,7% (при соотношениях количеств добавок 1:1) прочность бетона через 28 сут больше прочности бетона на цементе без минеральных добавок, прирост прочности бетона этих составов составляет 5...26,3%. Совместный помол цемента с комплексными минеральными добавками не только повышает прочность бетона, но увеличивает предельное содержание минерального наполнителя в составе вяжущего до 30%, что объясняется лучшей гомогенизацией компонентов вяжущего и дополнительной активацией частиц цемента. Однако следует учесть, что совместный помол минеральных добавок и цемента увеличивает количество подвергаемых помолу твердых материалов, это удораживает процесс приготовления наполненных вяжущих.

При введении декстрина в составе наполненного вяжущего из обычного портландцемента его нормальная густота снижается с 27,7 до 24,7%, а при введении МЛСТ это снижение составляет от 27,7% до 24,5%. При введении декстрина в составе наполненного вяжущего из сульфатостойкого портландцемента нормальная густота теста снижается с 25,7% до 23,5%, а при введении МЛСТ - с 25,7 % до 23,0%.

Введение комплексных химико-минеральных добавок приводит также к изменению сроков схватывания цементов. Смешанная добавка из отходов обогащения флюоритовых руд и декстрина может играть роль как замедлителя, так и ускорителя схватывания цементного теста. При дозировках минеральной добавки 5...30% и декстрина в пределах 0,01...0,05% сроки схватывания обычного портландцемента увеличивается. При расходах декстрина 0,075% и выше и больших содержаниях отходов обогащения флюоритовых руд происходит ускорение схватывания цементного теста, при этом время схватывания наполненного цемента практически совпадает со сроками схватывания цемента без добавок.

Влияние комплексной добавки, содержащей МЛСТ на сроков схватывания цементов в зависимости от вида цемента и расхода химической добавки разное: при содержаниях МЛСТ до 0,3% сроки схватывания наполненного вяжущего на основе обычного портландцемента ускоряются. В то же время, при содержаниях химической добавки до 0,2% сроки схватывания наполненного вяжущего на основе сульфатостойкого цемента практически не изменяются, а при увеличении содержания МЛСТ до 0,3% его сроки схватывания замедляются на 1... 1,5 часа.

Подвижность смеси с комплексными минерально-химическими добавками всегда ниже, чем при использовании только химической добавки в тех же количествах, что в составе смешанной добавки. Цементсодержащие смеси на наполненных вяжущих с МЛСТ лучше пластифицируются, чем при использование декстрина. Их твердение также протекает несколько быстрее. Свидетельством этого являются кинетические данные твердения образцов бетона 1:1,51:2,57:0,4 (наполненное вяжущее:песок:щебень:вода) от расхода декстрина и МЛСТ в составе наполненного вяжущего (обычный портланд-цемент:отходы обогащения флюоритовых руд) = 85:15% в течении 360 сут в нормальных условиях.

Наполненные цементные вяжущие также модифицировали химической добавкой ЩЭСХ. На рис. 4 приведены кинетические зависимости изменения прочности бетона 1:1,51:2,57:0,4 (цементное вяжущее:песок:щебень:вода) от состава цементного вяжущего. ЩЭСХ способствует повышению прочности бетона не только по сравнение с прочностью образцов на цементе без добавок, но и по сравнению прочности образцов бетона на наполненном вяжущем.

8. с

Цемент; отход обогащения фпюоритовых руд, %;

1-100:0

2-90:10

3-85:15

4-80:20

Содержание ЩЭСХ, % от массы цементного вяжущего

Рис. 4. Кинетические зависимости изменения прочности бетона 1:1,51:2,57:0,4 (цементное вяжущее:песок:щебень:вода) через 360 сут твердения образцов в нормальных условиях от состава цементного вяжущего, модифицированного ЩЭСХ и отходом обогащения флюоритовых руд.

С повышением содержания химической добавки в составе вяжущего прочность бетона возрастает, однако при этом более высокие показатели прочности имеют образцы на наполненном вяжущем состава 85:15 (обычный портландцементютход обогащения флюоритовых руд). Но оптимальным можно считать и состав наполненного вяжущего 80:20 (обычный портланд-цементютход обогащения флюоритовых руд) с добавкой ЩЭСХ, т.к. при этом составе наполненного вяжущего прочность бетона существенно выше прочности бетона без добавок.

Чтобы выяснить процессов, влияющих на твердение цементных минералов в присутствии минерально-химических добавок проводили выборочный рентгенофазовый анализ цементного камня через 28 сут его твердения в нормальных условиях. Общий анализ рентгенограмм показывает, что в составе цементного камня алюминатсодержащие клинкерные минералы С3А и С4АР отсутствуют, т.е. они к данному сроку твердения бетона уже гидрати-ровались.

Повышение прочности бетона благодаря модифицирующим действиям химико-минеральных добавок приводит и к повышению коррозионностойко-сти цементного камня в бетоне. На рис. 5 представлено сравнение кинетических зависимостей прочности бетона, твердевшего 360 сут в различных агрессивных средах, от составов наполненного цементного вяжущего минеральной добавкой из отходов обогащения флюоритовых руд и модифицированного щелочным экстрактом стеблей хлопчатника. В агрессивных средах происходит возрастание прочности бетона на наполненном вяжущем с химической добавкой. Количественное влияние добавок на повышение коррози-онностойкости бетона наглядно видно из представленных кривых изменения прочности бетона разного состава. Как видно, наименьшую прочность во всех средах твердения имеет бетон на цементе без добавки.

Возрастание прочности и коррозионностойкости бетона на модифицированных наполненных вяжущих происходит как при раздельном, так и совместном использовании минерально-химическими добавками в составе вяжущего. Необходимо отметить, что если при увеличении содержания ЩЭСХ с 0,05 до 0,2% от массы вяжущего, значения прочности бетона всех составов имеют тенденцию возрастания, прочность бетона на наполненном вяжущем состава 80:20% во всех случаях незначительно ниже прочности бетона состава 85:15%. В то же время, можно выбрать оптимальное количество ЩЭСХ, которое обеспечивало бы возрастание прочности бетона и при количествах минерального наполнителя 20% и больше.

Коррозионностойкость бетона в агрессивных средах оценена также по значению коэффициента его стойкости. Коэффициент стойкости бетона, содержащего химическую добавку, в дистиллированной воде изменяется в пределах 0,97...1,05, в минерализованной воде от 0,92 до 1,0, а в растворе 6% М§804 от 0,85 до 1,01. Это наглядно свидетельствует об упрочняющем влиянии минерально-химических добавок из отхода обогащения флюоритовых руд и ЩЭСХ на прочность бетона, благодаря чего, структура бетона становится малопроницаемой для проникновения агрессивных ионов.

При действии дистиллированной воды из состава образцов с минерально-химическими добавками меньше выделяется Са(ОН)2, чем из состава цементного камня без добавок или с одной минеральной или химической добавкой. Если из состава образца на цементе без добавок за 360 сут выделяется 55,8 мг/см2 Са (ОН)2, то введение химических и минеральных добавок, как при их отдельном, так и при их совместном применении, приводит к резкому

снижению количества выщелачиваемой извести. При этом скорость выделения Са(ОН)2 снижается до 4...4,5 раза. Наиболее низкие количества выщелачиваемой извести имеют образцы бетона на наполненных цементных вяжущих с химическими добавками.

3

я£?"--

4

^ 1

0,05

0,1

0,15

0,2

40

35

3 2.

\,„

1

0,05

0,1

0,15

0,2

4

^

2\

X

Цемент; отход обогащения флюоритовыхрудД;

1-100:0

2-90:10

3-85:15

4-80:20

О 0,05 0,1 0,15 0,2 Содержание 1ДЭСХ, % от массы цементного вяжущего

Рис. 5. Кинетические зависимости изменения прочности бетона 1:1,51:2,57:0,4 (цементное вяжущее:песок:щебень:вода) от содержание ЩЭСХ в составе вяжущего при твердении образцов в дистиллированной воде (а), минерализованной воде (б) и в 6%-ном растворе М§304 (в) в

течении 360 сут.

Проводили также химические анализы составов проб цементного камня, взятых из эквивалентных образцов бетона, твердившихся в нормальных условиях и в дистиллированной воде 360 сут. Результаты химического анализа составов цементного камня проведены в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав цементного камня на модифицированном наполненном вяжущем состава 85:15:0,05 (обычный портландцемент: отход обогащения флюоритовых руд:декстрин) при твердении образцов бетона в различных

условиях

Содержание компо- Среда твердения бетона 360 сут

нентов состава Нормальные Дистиллированная

цементного камня, % условия вода

СаО+МяО 31,66 32,07

БЮз 35,02 34,34

А1203 7,89 7,26

Ре203 + РсО 3,89 3,73

+К,0 3,8 2Д

МпО 0,12 0,08

ТЮ2 0,34 0,31

р205 0,09 0,13

вОз 0,9 1,09

ппп 16,1 18,82

Сумма 99,81 99,93

Сравнение химического составов цементного камня показывает, что в дистиллированной воде происходит снижение содержание оксидов К,а20+К20 вследствие их незначительного выщелачивания. Практическое постоянство химического состава цементного камня нормального твердения и находящегося в дистиллированной воде ещё раз свидетельствует о положительной роли применяемых минерально-химических добавок для уплотнения структуры цементного камня и повышения стойкости бетона в агрессивных средах.

Сравнение результатов, полученных при использовании разных по составу цементов показывает, что, по-видимому, ЩЭСХ в системе «цемент-вода-добавка» более интенсивно ускоряет реакции гидратации и образования кристаллического сростка из алюминатных и алюмоферритных фаз цементного клинкера, чем из силикатных. В свою очередь, увеличение скорости гидратации минералов С3А и СцАИ ускоряет схватывание цементного теста, это проявляется больше для обычных цементов, чем для сульфатостойких. Ускорение гидратации алюминатсодержащих фаз инициирует реакции гидратации и твердения других минералов цемента. Ввиду большего содержания алюминатсодержащих минералов в составе обычных цементов, чем в суль-фатостойком цементе, их твердение в присутствии ЩЭСХ в ранние сроки возрастает с большей скоростью. Поэтому прочность бетона на обычных цементах с ЩЭСХ в эти сроки существенно увеличивается по сравнению со значениями прочности состава без добавки.

Характер влияния экстрагируемых веществ стеблей хлопчатника и рисовой лузги на сроки схватывания цемента отличается от их влияния на свойства гипсового вяжущего. В зависимости от расхода добавки сроки схватывания гипсового теста увеличиваются от несколько минут до несколько

часов. В составе гипса добавки блокируют в течение определенного времени молекулы гипса, ограничивают их взаимодействие с молекулами воды и тем самым удлиняют время схватывания гипсового теста. В то же время, под влиянием химической добавки время схватывания цементного теста сначала уменьшается, а затем, по мере возрастания содержания экстрагируемых веществ в составе смеси, возрастает. Это различие в характере схватывания гипса и цемента ещё раз подтверждает, что действие добавки в первую очередь зависит от минералогического состава неорганического вяжущего вещества.

Экспериментальные зависимости прочности цементного и гипсового камня от времени твердения образцов показывают, что в присутствии химических добавок зрелая структура гипсового и цементного камня сформируется в более раннем возрасте, чем для камня из вяжущего без добавок. Следовательно, химические добавки играют роль катализатора в системе «вяжущее вещество - вода» и влияют на кинетику взаимодействия минералов неорганических вяжущих веществ с водой и их структурообразование.

В результате возрастания площади гидратированных частиц и их диспергирования происходит дезагрегация частиц, уменьшается межфазовая энергия в системе «вода - твердое тело», освобождается большая часть воды, которая и обеспечивает пластифицирующий эффект химической добавки. Кроме того, образующиеся адсорбционные слои на поверхности новообразований гидратируемого вяжущего способны сглаживать микрошероховатости частиц и уменьшать силу трения между ними.

Адсорбция добавок на поверхности частиц новообразований гидратируемого вяжущего влияет на морфологию образования гидратных фаз и изменяет их форму: они становятся короче и тоньше, изменяется их анизотропия. Образуется блочно-ритмичная структура гидратных фаз, однако в результате экранизации их поверхности добавками тормозится рост кристаллов, и следовательно, структура образующегося гипсового или цементного камня становится более дисперсной и мелкокристаллической, которая после сформирования способна обеспечить более высокую прочность и непроницаемость, что наблюдается при исследование строительных бетонов и растворов на вяжущих с добавками.

Адсорбция добавок на поверхности разных минералов разная, о чём свидетельствует разный количественный результат в изменении параметра свойств вяжущего при действии одной добавки. Например, ЩЭСХ изменяет сроки схватывания цемента, но количественные параметры изменения сроков схватывания разные для обычного и сульфатостойкого цементов. При абсорбции добавки могут своими функциональными группами установить водородную связь с кислородными атомами вяжущих минералов. Чаще всего эта связь устанавливается между кислородом новообразований гидратированных вяжущих и гидроксильной группой (ОН"), но в образовании химической связи будут участвовать и другие функциональные группы, которые могут соединится с ионами Са2+ и А13+ на поверхности продуктов гидратации.

Химическое взаимодействие добавок с атомами поверхности гидрати-рованных частиц вяжущего, по-видимому, несколько удлиняет индукционный период гидратации минералов, т.е. период наступающий после процесса смачивания частиц, где происходит слабое взаимодействие минералов, особенно C3S состава цемента, с водой. Затем, после индукционного периода, наступает период сильной гидратации C3S, протекающий с самоускорением. Этим объясняется то, что при действиях химических добавок MJICT, декстрина и ЩЭСХ цементсодержащие смеси пластифицируются, сохраняют свое пластифицированное состояние дольше чем состояние вяжущего без добавки, однако, скорость их твердения уже в течение первых суток опережает процесс упрочнения смесей без добавок. Удлинение индукционного периода гидратации способствует повышению продолжительности насыщения поро-вой жидкости метастабильными фазами продуктов гидратации, что в свою очередь приводит к формированию более дисперсной структуры кристаллического сростка, обеспечивающая высокую плотность и непроницаемость образующего искусственного камня, следствием которого является повышение прочности и коррозионностойкости бетона с химическими добавками.

Таким образом, можно указать, что механизмы действия MJICT, декстрина, ЩЭСХ и ЩЭРЛ на процессы гидратации минералов неорганических вяжущих материалов, а также на снижение их водопотребности и улучшение реологических характеристик смеси, повышения прочности образующегося камня из них являются идентичными.

При расчете ожидаемой себестоимости 1 т сухой смеси на основе гипсового вяжущего микрокристаллической целлюлозой, керамзитовой пылью и химических добавок растительного происхождения (ЩЭСХ) выявлено, что предполагаемая экономия затрат составит: 875 сомони/т или 180 у.е./т, т.е. снижает существующую величину себестоимости на 35%, что достигается за счет дешевых отходов минерально-химических добавок растительного происхождения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведено системное исследование по модифицированию составов наполненных гипсовых и цементных вяжущих химическими добавками на основе растительного сырья: декстрином, модифицированным лигносульфо-натом техническим (МЛСТ), щелочным экстрактом стеблей хлопчатника (ЩЭСХ) и щелочным экстрактом рисовой лузги (ЩЭРЛ) и армирующей добавкой: микрокристаллической целлюлозой из хлопкового линта. Экспериментально установлены оптимальные составы модифицированных химическими добавками наполненных неорганических вяжущих материалов.

2. ЩЭСХ и декстрин пластифицируют гипсовое тесто и повышают прочность и водостойкость гипсобетона. Прирост прочности модифицированного гипса составляет 30...70%, а прочность гипсобетона в водонасы-щенном состоянии повышается на 31,3...43,5%. Модифицирование вяжущего минерально-химическими добавками уменьшает удельный расход гипса

до 40% в составах строительных смесей. Содержание химических добавок в составе наполненных гипсовых вяжущих можно варьировать для ЩЭСХ от 0,05 до 2%, а для декстрина от 0,01 до 0,1%.

3. Установлена зависимость влияния ЩЭСХ и ЩЭРЛ на сроков схватывания цемента от его минералогического состава и расхода химической добавки. Для обычного портландцемента время схватывания при содержаниях химической добавки 0,1...0,4% снижается, при содержаниях добавки 0,4...0,6% стабилизируется на уровне: начало схватывания 40...45 мин, окончания схватывания 100... 110 мин, а при расходах добавки выше 0,6% -увеличивается. Для низкоалюминатного сульфатостойкого цемента при содержаниях добавки до 0,2% время схватывания уменьшается, при больших расходах добавки возрастает. Степень влияния ЩЭРЛ на сроков схватывания цементов несколько выше чем влияние ЩЭСХ, при содержаниях добавки 0,1...0,3% начало схватывания цементов уменьшается до 20...25 мин.

4. Установлено, что более эффективными минеральными наполнителями цементных вяжущих являются отходы обогащения флюоритовых руд и керамзитовая пыль, их содержание можно варьировать в составе цементного вяжущего до 20% для повышения или сохранения прочности бетона. Выявлена возможность совместного их использования в качестве комплексного наполнителя до 25...30% состава цементного вяжущего без ущерба в снижении прочности бетона.

5. Наполненные цементные вяжущие имеют более повышенную водо-потребность чем цемент их состава. Химические добавки декстрин и МЛСТ снижают водопотребность наполненных цементов на 8...11% и регулируют сроков их схватывания.

6. Модифицирование наполненных цементных вяжущих химическими добавками растительного происхождения благоприятно влияет на коррози-онностойкость бетона в агрессивных средах. При влиянии дистиллированной и минерализованной воды и раствора сульфата магния М§504 на бетон в течении 360 сут коэффициент стойкости бетона варьируется в пределах 0,85... 1,1. Скорость выщелачивания извести Са(ОН)2 из структуры бетона на модифицированных наполненных цементов в 4...4,5 раза ниже чем из структуры бетона без добавки.

7. Модифицирование наполненных неорганических вяжущих химическими добавками растительного происхождения позволяет уменьшить удельный расход гипса до 29...41% и цемента до 25...30% при получение соответствующих сухих строительных смесей, имеющие оптимальные параметры по времени схватывания и подвижности теста. Такие смеси обеспечивают получению более высокопрочных изделий и конструкций, чем вяжущие их состава без добавок.

8. Экономия ожидаемой себестоимости 1 т сухой смеси на основе моди-фицированых наполненных неорганических вяжущих химическими добавками растительного происхождения составляет 800-1000 сомони/т или 160-210 у.е./т, т.е. снижает существующую величину себестоимости на 30-40%, что

достигается за счет дешевых отходов минерально-химических добавок растительного происхождения.

Основные положения диссертации опубликованы в:

- статьях в рецезируемых научных журналах из премия ВАК РФ:

1. Умаров У.Х. К теории структурообразования твердеющих композиционных систем [Текст] / Д.Х. Саидов, Р.Х. Саидов, У.Х. Умаров // Вестник Таджикского технического университета. -Душанбе, 2008. -№1. -С.64-67.

2. Умаров У.Х. Регулятор процесса схватывания неорганических вяжущих веществ [Текст] / А. Шарифов, У.Х. Умаров, Г. Камолов, М.К. Хокиев, Д.Х. Саидов // Вестник Таджикского технического университета. -Душанбе, 2010. -№2(10). -С.50-54.

3. Умаров У.Х. Комплексные химические добавки для цементных бетонов [Текст] / А. Шарифов, У.Х. Умаров, A.A. Акрамов, М.К. Хокиев // Вестник Таджикского технического университета. -Душанбе, 2010. -№3(11). -С.69-72.

4. Умаров У.Х. Механизм влияния декстрина и модифицированного лигно-сулфоната на процессы гидратации и твердения портландцемента [Текст] / А. Шарифов, М.К. Хокиев, У.Х. Умаров, A.A. Акрамов, Д.Х. Саидов // Известия Академии наук Республики Таджикистан. -Душанбе, 2010. -том №4 (141). -С.78-84.

5. Умаров У.Х. Влияние минерально-химических добавок на коррозионно-стойкость цементных бетонов с применением промышленных отходов / Д.Х. Саидов, У.Х. Умаров [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, №2. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1634 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

- статьях в научных журналах:

1. Умаров У.Х. Эффективный регулятор схватывания вяжущих веществ [Текст] / А. Шарифов, У.Х. Умаров, Г. Камолов, Д.Х. Саидов, М.М. Хокиев // Сухие строительные смеси. -Москва, 2011. -№4. -С.32-34.

2. Умаров У.Х. Повышение прочности и снижение водопоглощения гипсобетона минерально-химическими добавками [Текст] / А. Шарифов, У.Х. Умаров, A.A. Акрамов // Технология бетонов. -М., 2012. -№1,2. -С.68-69.

3. Умаров У.Х. Отходы хлопчатника - эффективные добавки для модифицирования наполненных гипсовых вяжущих [Текст] / А. Шарифов, У.Х. Умаров, A.A. Акрамов // Сухие строительные смеси. -М., 2012. -№2. -С.31-33.

- материалах научных конференций, симпозиумах и семинарах:

1. Умаров У.Х. Эффективность использования отходов в производстве строительных материалов / Д.Х. Саидов, У.Х. Умаров // Материалы Республ. науч,-практич. конф. «Основные направления переработки местного сырья и пути повышения производство строительных материалов». -Душанбе, 2003. -С.10-14.

2. Умаров У.Х. Повышение коррозионностойкости цементсодержащих композиций с минерально-химическими добавками / Д.Х. Саидов, У.Х. Умаров [Текст] // Материалы республ. науч.-технич. конф. «Пути развития промышленности строительных материалов республики». -Душанбе, 2003. -С.8-13.

3. Умаров У.Х. Сухие строительные смеси с использованием местных сырьевых материалов [Текст] / А. Шарифов, У.Х. Умаров, Д.Х. Саидов // Материалы Междунар. науч.-практич. конф. «Перспективы развития науки и образования в 21 веке».-Душанбе, 2008. -С.184-185.

4. Умаров У.Х. Гипссодержащие строительные смеси и добавки для регулирования их свойства [Текст] / А. Шарифов, Ф.А. Ахмедов, У.Х. Умаров // Материалы Республ. науч.-практич. конф. «Современные проблемы химической технологии и металлургии». -Душанбе, 2009. -С. 183-185.

5. Умаров У.Х. Замедлители схватывания гипса из стеблей хлопчатника и отходов других производства [Текст] / А. Шарифов, У.Х. Умаров // Материалы Республ. науч.-практич. конф. «Современные проблемы химической технологии и металлургии». -Душанбе, 2009. -С.232-234.

6. Умаров У.Х. Минеральные наполнители и заполнители в сухих гипсовых смесях [Текст] / А. Шарифов, У.Х. Умаров, A.A. Акрамов // Материалы Республ. науч.-практич. конф. «Современные проблемы химической технологии и металлургии». -Душанбе, 2009. -С.235-237.

7. Умаров У.Х. Наполнители сухих неорганических вяжущих смесей [Текст] / А. Шарифов, У.Х. Умаров, Г. Камолов, Д.Х. Саидов, М.К. Хокиев // Материалы 4-ой Междунар. науч.-практич. конф. «Перспективы развития науки и образования». -Душанбе, 2010. -С.124-127.

8. Умаров У.Х. Эффективность модифицирования бетона добавками [Текст] / А. Шарифов, У.Х. Умаров, М.К. Хокиев, С.Г. Камолов, Н.З. Бозоров // Материалы Республ. науч.-практич. конф. «Проблемы современной химии, химической технологии и металлургии». -Душанбе, 2011. -С.55-58,

9. Умаров У.Х. Санги табии ва истифодаи самараноки он дар иншоотхои сохтмони (Природный камень и его эффективное применение в строительных сооружениях) [статья на таджикском языке] [Текст] / А. Шарифов, У.Х. Умаров, М. Саломов // Материалы Республ. науч.-практич. конф. «Проблемы современной химии, химической технологии и металлургии». -Душанбе, 2011. -С.51-54.

10. Умаров У.Х. Особенности строения бетонов и их структура [Текст] / Д.Х. Саидов, У.Х. Умаров, Ш.С. Тагойбеков // Материалы Республ. науч.-практич. конф. «Наука и энергетическое образование», поев. 20-летию независимости Республики Таджикистан и 5-летию Энергетического института Таджикистана. -Курган-тюбе, 2011. -С.132-138.

11. Умаров У.Х. Физико-химические механизмы воздействия агрессивных сред на строительные конструкции [Текст] / Д.Х. Саидов, А.Г. Гуломов, У.Х. Умаров // Материалы Республ. науч.-практич. конф. «Современные проблемы химии, химической технологии и металлургии», поев. 20-летию независимости Республики Таджикистан и 55-летию ТТУ им. академика М.С.Осими. -Душанбе, 2011. -С.84-87.

12. Умаров У.Х. Комплексные методы закрепления грунтов цементом с использованием высокого давления и температуры [Текст] / Д.Х. Саидов, У.Х. Умаров, Х.С. Саидов // Материалы Восьмой Междунар. теплофизической школы «Теп-лофизическиеисследования и измерения в энерго- и ресурсосбережении при контроле и управлении качеством процессов, продукции и услуг» (8-13 окт. 2012 г., г.Душанбе). -Душанбе-Тамбов, 2012. -С.584-588.

13. Умаров У.Х. К моделированию диффузионно-кинетических процессов массообмена при жидкостной коррозии строительных материалов [Текст] / Д.Х. Саидов, У.Х. Умаров, Д.С. Джумаев // Материалы Республ. науч.-практич. конф. «Энерго- и ресурсосбережение при использовании природных ресурсов в энергетике и промышленности», поев. 16 сессии Верховного Совета, 15-летию мира и

национального согласия Республики Таджикистан и 2012г. - года развития энергетики. -Курган-тюбе, 2012. -С. 153-156.

14. Умаров У.Х. Теоретические и экспериментальные исследования массо-переноса процессов жидкостной коррозии цементного бетона второго вида [Текст] / Д.Х. Саидов, А.Х. Комилов, У.Х. Умаров // Материалы Междунар. науч.-практич. конф. «Архитектурное образование и архитектура Таджикистана: 50 лет развития и совершенствования». -Душанбе, 2013. -С.229-234.

- прочих изданиях:

1. Умаров У.Х. Воздействие агрессивной среды на кинетику изменения прочности строительных материалов из цементно-грунтовых смесей [Текст] / Д.Х. Саидов, М.У. Шералиев, У.Х. Умаров // Информационный листок НПИЦентра Республика Таджикистан. -Душанбе, 2009. -№19-2009. -6 с.

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1.0 уч.-изд.-л. Заказ № 3186. Тираж 100 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН

МОДИФИЦИРОВАНИЕ НАПОЛНЕННЫХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ ХИМИЧЕСКИМИ ДОБАВКАМИ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Таджикский технический университет имени академика М.С.Осими

04201452078

На правах рукописи

УМАРОВ Улугбек Худжакулович

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Саидов Джамшед Хамрокулович

Душанбе-2013 г.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АН РТ Академия наук Республики Таджикистан

АСА при ПРТ Агентства по строительству и архитектуре при Правительстве Республики Таджикистан

ВРП Водорастворимый полимер

ГНВ Гипссодержащее наполненное вяжущее

ДД Добавка декстрина

ИВПГЭиЭ АН РТ Институт водных проблем, гидроэнергетики и экологии Академии наук Республики Таджикистан

ИХ АН РТ Институт химии имени В.И.Никитина Академии наук Республики Таджикистан

КМН Комплексные минеральные наполнители

КП Керамзитовая пыль

ЛС Лигносульфонат

мд Минеральные добавки

млст Модифицированный лигносульфонат технический

МММ Местные минеральные материалы

ммс Местное минеральное сырье

мхд Минерально-химические добавки

мц Микрокристаллическая целлюла

МЭиП РТ Министерства энергетики и промышленности Республики Таджикистан

НВМ Неорганические вяжущие материалы

НК Нитрат кальция

ННВВ Наполненное неорганическое вяжущее вещество

ООО Общество с ограниченной ответственностью

ООФР Отходы обогащения флюоритовых руд

опп Отходы промышленного производства

РС Регулятор схватывания

РСВ Реологические свойства вяжущих

РТ Республика Таджикистан

СДО Смола древесная омыленная

снв Смола нейтрализованная воздухововлекающая

СНГ Содружество независимых государств

спд Синтетическая поверхностно-активная добавка

ссс Сухие строительные смеси

цнв Цементсодержащее наполненное вяжущее

ТТУ Таджикский технический университет имени академика М.С.Осими

тэо Технико-экономическое обоснование

УГВ Уровень грунтовых вод

щэсх Щелочный экстракт стеблей хлопчатника

ЩЭРЛ Щелочный экстракт рисовой лузги

хд Химические добавки

хк Хлористый кальций

сн Сульфат натрия

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................. 6

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ АНАЛИЗ. НАПОЛНЕННЫЕ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ И ИХ МОДИФИЦИРОВАНИЕ МИНЕРАЛЬНО-ХИМИЧЕСКИМИ ДОБАВКАМИ...................................................................... 14

1.1. Краткая характеристика наполненных неорганических вяжущих...................................................................... 14

1.2. Гипсовые наполненные вяжущие и их модифицирование химическими добавками................................................... 15

1.3. Модифицирование наполненных цементных вяжущих химическими добавками.................................................... 20

1.4. Постановка цели и задачи исследования............................... 24

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................27

2.1. Объекты исследования........................................................................................................27

2.2. Модифицирование неорганических вяжущих минерально-химическими добавками и методы исследования их свойств..........38

2.2.1. Модифицирование гипссодержащих наполненных вяжущих

и методы исследования их свойств..................................... 38

2.2.2. Модифицирование цементсодержащих наполненных

вяжущих веществ и методы исследования их свойств............. 39

Глава 3. СВОЙСТВА ГИПССОДЕРЖАЩИХ НАПОЛНЕННЫХ

ВЯЖУЩИХ С ХИМИЧЕСКИМИ ДОБАВКАМИ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ............................................ 42

3.1. Исследование свойств гипсовых вяжущих с регулятором схватывания из щелочного экстракта стеблей хлопчатника....... 42

3.2. Влияние щелочного экстракта стеблей хлопчатника на свойства наполненного гипсового вяжущего микрокристаллической целлюлозой и отходом обогащения флюоритовых руд........................................................... 47

3.3. Влияние химических добавок на свойства наполненного гипсового вяжущего микрокристаллической целлюлозой, керамзитовой пылью и декстрином................................... 54

3.3.1. Влияние ЩЭСХ на свойства наполненного гипсового вяжущего микрокристаллической целлюлозой

и керамзитовой пылью........................................................ 54

3.3.2. Исследование свойств гипса и наполненного гипсового вяжущего с добавкой декстрина........................................ 58

Глава 4. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ НА СВОЙСТВА НАПОЛНЕННЫХ ЦЕМЕНТНЫХ ВЯЖУЩИХ............................ 64

4.1. Исследование влияния химических добавок на реологические свойства цемента, технологические

и технические свойства бетона.......................................... 64

4.2. Наполненные цементные вяжущие на основе местных минеральных материалов и промышленных отходов............... 77

4.2.1. Цементные вяжущие с одинарным минеральным наполнителем............................................................... 77

4.2.2. Цементные вяжущие с комплексными минеральными наполнителями............................................................... 82

4.3. Исследование влияния химических добавок растительного происхождения на свойства

наполненных цементных вяжущих и бетонов........................ 86

4.4. О предполагаемых механизмах влияния химических добавок растительного происхождения на свойства наполненных вяжущих веществ........................................ 103

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ........................ 110

ЛИТЕРАТУРА.............................................................. 114

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................ 128

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Производство неорганических вяжущих материалов (НВМ) и строительных изделий и конструкций на их основе относится к наиболее энергоёмким. Возрастание стоимости энергоносителей, которое наблюдается в последние годы, делает расточительным применение неорганических вяжущих веществ по их прямому назначению в чистом виде. Наиболее эффективным является применение наполненных вяжущих веществ, т.е. вяжущих материалов, составленных из неорганических вяжущих и минеральных наполнителей, другими словами - минеральных добавок (МД). Применение наполненных неорганических вяжущих веществ (ННВВ) способствует снижению энергоёмкости производства строительных композиций.

Наполненные неорганические вяжущие вещества - это в основном цементные и гипсовые вяжущие, содержащие минеральных добавок, которые играют роль микронаполнителя в структуре образующегося искусственного камня при гидратации и твердении минералов состава вяжущего. Наполненные минеральными добавками неорганические вяжущие вещества являются основными компонентами состава сухих строительных смесей (ССС). Республика Таджикистан имеет богатое месторождение сырьевых материалов для получения неорганических вяжущих веществ, однако производство самих материалов ограниченно.

Наиболее рациональным способом улучшения технологических качеств наполненных неорганических вяжущих веществ и эксплуатационных свойств строительных композиций на их основе является введение в их состав многофункциональных химических добавок, полученных из растительного сырья. Представителями растительного сырья, пригодными для получения химических добавок, могут быть стебли хлопчатника, рисовая лузга, картофель, кукуруза,

лесоматериалы и т.п., которые ежегодно используются в различных отраслях промышленности в огромных количествах. В настоящее время некоторые из названных веществ используются также для производства химических добавок к вяжущим веществам.

В литературе недостаточны научно обоснованные экспериментальные данные, которые позволили бы провести непосредственное внедрение химических добавок на основе растительного сырья для модифицирования наполненных неорганических вяжущих материалов в производствах строительных композиций. Недостаточны также данные по определению влияния химических добавок из растительного сырья на реологические свойства цементов и гипсовых вяжущих, технологических и технических свойств строительных смесей на их основе, не изучены механизмы влияния химических добавок на компоненты состава наполненных вяжущих. Выяснение указанных вопросов требовало выполнению исследований по данной работе.

Цель и задачи исследования:

Целью данной работы является модифицирование наполненных неорганических вяжущих веществ химическими добавками на основе местного растительного сырья Республики Таджикистан.

Исходя из поставленной цели задачами исследования являются:

- выбор химических добавок, полученных из местных растительных видов сырья Республики Таджикистан;

- исследование основных свойств бетонов и строительных растворов на модифицированных химическими добавками наполненных гипсовых и цементных вяжущих;

- нахождение оптимальных содержаний минеральных наполнителей и химических добавок в составах гипсовых и цементных вяжущих;

- выяснение предполагаемых механизмов влияния минеральных наполнителей и химических добавок на повышение качества неорганических вяжущих и строительных композиций на их основе;

- опытно-промышленное испытание оптимальных составов модифицированных наполненных неорганических вяжущих в производстве некоторых строительных изделий.

Научная новизна работы:

- обоснована целесообразность модифицирования гипсовых и цементных вяжущих химическими добавками: декстрином, модифицированным лигно-сульфонатом техническим (МЛСТ), щелочным экстрактом стеблей хлопчатника (ЩЭСХ) и щелочным экстрактом рисовой лузги (ЩЭРЛ) и армирующей добавкой: микрокристаллической целлюлозой из хлопкового линта, полученными из растительного сырья, и минеральными наполнителями из отходов обогащения флюоритовых руд и керамзитовой пыли.

- установлено, что ЩЭСХ и ЩЭРЛ являются эффективными регуляторами схватывания гипсовых и цементных вяжущих. Они изменяют водопотреб-ность и времени схватывания как чистых, так и наполненных минеральными добавками неорганических вяжущих веществ, и в оптимальных количествах способны регулировать время схватывания вяжущих без ущерба их прочности.

- установлено, что более эффективными минеральными наполнителями цементных вяжущих являются отходы обогащения флюоритовых руд и керамзитовая пыль, их содержание можно варьировать в составе цементного вяжущего до 20% для повышения или сохранения прочности бетона. Выявлена возможность совместного их использования в качестве комплексного наполнителя до 25...30 % состава цементного вяжущего без ущерба в снижении прочности бетона;

- выяснено, что модифицированные химическими добавками наполненные цементные вяжущие обеспечивают более повышенную прочность бетона чем цементы без добавок или цементы с минеральными или химическими добавками в отдельности. По степени влияния на ускорение сроков твердения бетона химические добавки можно располагать в ряд «МЛСТ - декстрин -ЩЭСХ», однако в более поздние сроки твердения образцы бетона с добавками декстрина и ЩЭСХ приобретают очень высокие показатели прочности, достигая прочности бетона с МЛСТ.

- подтверждено, что модифицирование наполненных неорганических вяжущих химическими добавками растительного происхождения позволяет уменьшить удельный расход гипса до 29...41% и цемента до 25...30% при получение соответствующих сухих строительных смесей, имеющие оптимальные параметры по времени схватывания и подвижности теста. Такие смеси обеспечивают получению более высокопрочных изделий и конструкций, чем вяжущие их состава без добавок.

Практическая ценность работы:

- модифицированные наполненные цементные вяжущие можно использовать для производства высокопрочных и коррозионностойких бетонных изделий и конструкций в гидротехническом, дорожном, ирригационном и других подобных сооружениях;

- модифицирование вяжущих минерально-химическими добавками снижает энергоёмкость производства и себестоимости строительных изделий и конструкций на их основе. Снижение содержания гипса в составе вяжущего составляет до 41%, а цемента - до 30%;

- результаты данных исследований имеют не только технико-экономические значения, но имеют также экологическое значение, поскольку отходы других производств утилизируются в производствах вяжущих материалов.

Результаты исследований апробированы и внедрены:

- в АООТ "Хонасоз-4" («Домостроитель-4»), при разработке ресурсосберегающей технологии получения бетонных изделий и конструкций;

- в Агентство по строительству и архитектуре при Правительстве Республики Таджикистан, ряд нормативных рекомендательных документов, как справочные материалы и при составлении методики проектирования и расчета по технологии производства строительных материалов, изделий и конструкций на основе местного сырья, отходов и вторичных ресурсов;

- в Таджикском техническом университете имени академика М.С.Осими Министерства образования Республики Таджикистан при разработке комплексного модуля НИР по новым материалам, конструкциям и технологиям.

Некоторые результаты исследований, представленные в диссертации, нашли также отражение в научно-технических отчетах НИР, выполненных в 20002005 гг. в Таджикском техническом университете имени академика М.С.Осими по тематическому комплексу: «Разработка и внедрение эффективных строительных материалов из местных видов сырья».

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты анализа исследований по определению состояния и перспективы использования наполненных неорганических вяжущих и их модифицирование минерально-химическими добавками;

- результаты системного исследования по модифицированию составов наполненных гипсовых и цементных вяжущих химическими добавками на основе растительного сырья: декстрином, модифицированным лигносульфона-том техническим (МЛСТ), щелочным экстрактом стеблей хлопчатника (ЩЭСХ) и щелочным экстрактом рисовой лузги (ЩЭРЛ) и армирующей добавкой: микрокристаллической целлюлозой из хлопкового линта.

- данные рентгенофазового анализа процесса структурообразования материалов на основе наполненных гипсовых и цементных вяжущих веществ с хи-

мическими добавками растительного происхождения в различные сроки гидратации и твердения;

- результаты экспериментальных исследований по определению влияние химических добавок на свойства наполненного гипсового и цементного вяжущих микрокристаллической целлюлозой, керамзитовой пылью и декстрина;

- данные по определению влияния минерально-химических добавок на коррозионностойкость цементных бетонов с применением промышленных отходов;

- методика расчета рационального состава наполненных гипсовых и цементных вяжущих веществ по соотношениям составляющих компонентов в зависимости от применения химических добавок растительного происхождения;

- результаты исследований по выяснению физико-химических механизмов влияния химических добавок растительного происхождения на свойства наполненных вяжущих веществ;

- технико-экономическое обоснование использования наполненных гипсовых и цементных вяжущих веществ с химическими добавками растительного происхождения для производство энерго- и ресурсосберегающих строительных материалов на основе местного сырья (для условий Республики Таджикистан).

Достоверность исследований обеспечена:

- применением методик, регламентированных действующими стандартами;

- необходимым объемом экспериментальных данных, а также идентичностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, полученных с помощью поверенного лабораторного оборудования и расчетно-аналитическим методом исследования свойств разработанных материалов с использованием современной вычислительной техники и программного обеспечения при обработке экспериментальных данных.

и

Вклад автора заключается, под руководством научного руководителя, в научном обосновании выбора объектов исследований, разработка методик и программ экспериментальных исследований,, а также в непосредственном участии на всех этапах исследования, интерпретации, анализ и обобщение результатов, получение новых и уточнение известных зависимостей, участие в формулировании выводов и подготовке публикаций, организация и участие в производственном внедрении.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы обсуждались на Республиканской научно-технической конференции (НПК) «Пути развития промышленности строительных материалов республики» (г.Душанбе, 2003), Республиканской НПК «Основные направления переработки местного сырья и пути увеличения строительных материалов» (г.Душанбе, 2003), Международной НПК «Перспективы развития науки и образования в 21 веке» (г.Душанбе, 2008), Республиканской НПК «Современные проблемы химической технологии и металлургии» (г.Душанбе, 2009), Международной НПК «Перспективы развития науки и образования» (г.Душанбе, 2010), Республиканской НПК «Проблемы современной химии, химической технологии и металлургии» (г.Душанбе, 2011), Республикан