автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Неавтоклавный газобетон с использованием пылевидных отходов сушки песка

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Опыт использования пылевидных и глинистых материалов в бетонах и растворах.

Глава 2. Характеристики сырьевых материалов и методы исследований.

2.1. Характеристики сырьевых материалов.

2.1.1. Портландцемент.

2.1.2. Песок.

2.1.3. Добавки пластификаторы.

2.1.4. Гидрофобизирующие вещества.

2.1.5. Газообразователь.

2.1.6. Известь.

2.1.7. Вода.

2.1.8. Пылевидный отход сушки песка.

2.2. Минеральный и химический составы пылевидных отходов сушки песка

2.3. Методы исследований.

2.3.1. Методы физико-механических исследований.

2.3.2. Методы физико-химических исследований.

2.3.3. Метод статистической обработки результатов исследований и планирования эксперимента.

Глава 3. Научно-практические основы получения неавтоклавного газобетона с использованием пылевидных отходов сушки песка.

3.1. Теоретические основы создания требуемой прочности неавтоклавного газобетона с использованием пылевидных отходов сушки песка.

3.2. Изучение активности пылевидного отхода сушки песка и влияния добавки негашеной извести на прочность бетона.

3.3. Изучение влияния пылевидного отхода сушки песка на водопотребность бетонной смеси, водостойкость и прочность затвердевшего камня.

3.4. Изучение влияния некоторых добавок на водопотребность и прочность бетона.

3.5. Изучение влияния механохимической активации рабочих смесей на прочность, структуру и фазовый состав новообразований бетона.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Разработка рациональных составов и основных технологических параметров неавтоклавного газобетона с использованием пылевидных отходов сушки песка.

4.1. Полиномическая математическая модель неавтоклавного газобетона и выбор его рациональных составов.

4.2. Изучение влияния режимов перемешивания ячеистобетонной смеси на свойства ячеистого бетона.

4.3. Выбор способа и изучение влияния режимов термообработки на прочность и влажность газобетона.

4.4. Изучение структуры и фазового состава газобетона с использованием пылевидных отходов сушки песка.

Выводы к главе 4.

Глава 5. Исследование основных свойств неавтоклавного газобетона с использованием пылевидных отходов сушки песка.

5.1. Исследование физико-механических характеристик неавтоклавного газобетона.

5.2. Изучение деформаций усадки.

5.3. Изучение стойкости ячеистого бетона в условиях попеременного замораживания и оттаивания, увлажнения и высушивания.

Выводы к главе 5.

Глава 6. Технология изготовления газобетона с использованием пылевидных отходов сушки песка, производственное опробование и экономическая эффективность.

6.1. Технология изготовления изделий из газобетона.

6.2. Производственное опробование.

6.3. Технико-экономическая эффективность.

Актуальность работы. Энергосбережение и наращивание объемов производства эффективных стеновых материалов, отвечающих требованиям по теплозащите зданий и сооружений, определяется в качестве важнейшей государственной задачи. Наиболее перспективными являются изделия из неавтоклавного ячеистого бетона. Реальные возможности производства экономически эффективных ячеистых бетонов открываются при получении их с использованием местной сырьевой базы и минеральных промышленных отходов.

На заводах по производству строительных материалов (асфальтобетона, сухих строительных смесей и т.д.), использующих предварительную обработку песка - сушку, в системах газоочистки образуются пылевидные отходы в количестве до 1,5 % от объема выпуска готовой продукции. Ежесуточно на отдельно взятом заводе асфальтобетона мощностью 300 тыс. тонн в системах газоочистки образуется до 10 т пыли. Некоторая часть таких отходов повторно используется в технологическом процессе производства асфальтобетона, однако в реальности, большая часть накапливается в отвалах, становясь источником загрязнения окружающей среды. Широкое применение таких отходов сдерживается из-за недостаточно изученной роли пылевидных и глинистых частиц в структурообразовании цементных композиций.

Решение проблемы утилизации указанных отходов с учетом их минерального состава и коллоидно-химических свойств связано с потенциальной возможностью использования их в технологии неавтоклавного ячеистого бетона.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «ИНТЕГРАЦИЯ» (Госконтракт М 0157, направление 1,6/2000). Тема входит в план научно-исследовательских работ по межвузовской НТП «Архитектура и строительство» в план по фундаментальным исследованиям в области архитектуры и строительных наук «ГРАНД» и в планы НИРМГСУ.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка эффективного неавтоклавного газобетона с использованием пылевидных отходов сушки песка и технологии его производства.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- исследовать химический и минеральный составы пылевидных отходов сушки песка;

- теоретически обосновать возможность получения неавтоклавного газобетона с использованием пылевидных отходов сушки песка, не уступающего по своим качественным показателям газобетону на кондиционном заполнителе;

- разработать составы исходных растворов для получения газобетона средней плотности 400 - 900 кг/м3 с прочностью, соответствующей требованиям ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия», и изучить их свойства;

- изучить оптимальные технологические параметры изготовления неавтоклавного газобетона, включающие механохимическую активацию компонентов;

- исследовать структуру и свойства газобетона средней плотности 400-900 кг/м3;

- произвести производственное опробование технологии неавтоклавного газобетона с использованием пылевидных отходов сушки песка в производственных условиях;

- разработать рекомендации по изготовлению неавтоклавного газобетона с использованием пылевидных отходов сушки песка.

Научная новизна: разработаны теоретические положения получения неавтоклавного газобетона с использованием пылевидных отходов сушки песка, за счет механо-химической активации компонентов и получения стабильных новообразований, обеспечивающих высокие эксплуатационные свойства изделий; установлены многофакторные зависимости удельной поверхности рабочих смесей и прочности на сжатие затвердевшего камня от соотношения между пылевидным отходом и вяжущим и длительностью механохимической активации, которые позволяют выбрать оптимальные режимы активации для достижения наибольшей прочности газобетона; установлено, что механохимическая активация рабочих смесей в сочетании с ПАВ способствует увеличению прочности затвердевшего камня, за счет формирования более однородной структуры цементного камня и создании на зернах отхода первичного контактного слоя структурированного связующего непосредственно в процессе активации; установлено с помощью методов РФА, ДТА и электронной микроскопии, что механохимическая активация рабочей смеси способствует образованию низкоосновных гидросиликатов кальция, мелкокристаллических новообразований типа бемита и снижению капиллярной пористости бетона; получены многофакторные зависимости прочности, средней плотности газобетона от водотвердого отношения, расхода газообразователя, соотношения между пылевидным отходом и вяжущим, которые можно применять при ориентировочных технологических расчетах для газобетона с использованием пылевидных отходов сушки песка; получены математические модели, описывающие зависимости прочности исходных растворов от времени перемешивания рабочих смесей без газообразователя и прочности газобетона от времени перемешивания смеси с га-зообразователем, позволяющие выбрать оптимальные режимы перемешивания; установлены многофакторные зависимости режимов термообработки газобетона с использованием пылевидных отходов сушки песка от главных факторов: температуры и времени изотермической выдержки; температуры и времени сушки газобетона, необходимые для оптимизации термообработки и получения изделий с требуемой прочностью и влажностью; установлены зависимости прочности газобетона от средней плотности, теплопроводности от средней плотности и влажности, усадки при высыхании от влажности, необходимые для прогнозирования свойств и оптимизации состава газобетона.

Практическая значимость работы: разработана технология производства неавтоклавного газобетона с использованием пылевидного отхода сушки песка, включающая механохимическую активацию рабочей смеси. Разработаны «Рекомендации по технологии изготовления мелких стеновых блоков из неавтоклавного газобетона с использованием отходов сушки песка»; о получены газобетоны со средней плотностью 400 - 900 кг/м , прочностью 1,1 - 7,5 МПа, морозостойкость F35 - F75, соответствующие требованиям ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия», при полной замене кондиционного заполнителя на пылевидный отход сушки песка и расходом цемента от 200 до 365 кг/м .

Внедрение результатов исследований. Внедрение «Рекомендаций по технологии изготовления мелких стеновых блоков из неавтоклавного газобетона с использованием отходов сушки песка» проведено при опытнопроизводственном опробовании на ЗАО «Антикорстрой» (г. Москва) и ООО «Стройдориндустрия» (г. Волоколамск Моск. обл.) при изготовлении мелких стеновых блоков. Выпущена опытная партия газобетонных мелких стеновых о блоков средней плотности 700 кг/м в объеме 15 куб.м.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-практических конференциях в Московском государственном строительном университете: «Окружающая среда - развитие - строительство — образование» в 1998г., «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в 1999, 2001 г.г.; научно-практическом семинаре «Проблемы и пути создания композиционных материалов и технологии комплексного извлечения металлов из вторичных минеральных ресурсов» в Сибирском государственном индустриальном университете в феврале 2000г.; международной научно-практической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория практика» в Пензенской государственной архитектурно-строительной академии в январе 2001г.; фестивале научно-технического творчества молодежи Москвы и Московской области на Всероссийском выставочном центре в мае 2001г., где работа была отмечена почетной грамотой; на заседании кафедры «Технологии вяжущих веществ и бетонов» МГСУ.

Основное содержание работы опубликовано в семи статьях.

На защиту диссертации выносятся: теоретические основы получения неавтоклавного газобетона при полной замене кондиционного заполнителя на пылевидный отход сушки песка за счет механохимической активации рабочей смеси в присутствии суперпластификатора С-3 и получения стабильных новообразований; оптимизация составов газобетона разной средней плотности и технологических параметров его производства на основе получения 2-х и 3-х факторных математических моделей; зависимости основных свойств, структуры и фазового состава новообразований исходных растворов и газобетона, раскрывающие роль механохимической активации рабочих смесей; зависимости прочности, теплопроводности, усадочных деформаций неавтоклавного газобетона с использованием отходов сушки песка от его средней плотности и влажности; результаты опытно-промышленного опробования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны теоретические положения получения неавтоклавного газобетона с использованием пылевидных отходов сушки песка с требуемыми физико-механическими свойствами, за счет повышения активности пылевидного отхода при механохимической активации компонентов и образования низкоосновных гидросиликатов кальция, повышающих прочность и плотность межпоровых перегородок ячеистого бетона.

2. Установлены зависимости прочности на сжатие раствора с использованием пылевидных отходов сушки песка от содержания негашеной извести в смешанном вяжущем, от соотношения между пылевидным отходом и вяжущим, от водотвердого отношения смесей, от расхода добавок пластификаторов, которые позволяют оптимизировать состав исходного плотного раствора для получения ячеистых бетонов.

3. Экспериментально подтверждено, что механохимическая активация рабочих смесей в специальном агрегате, позволяющая избежать нежелательного комкования частиц отхода, способствует увеличению прочности затвердевшего камня, за счет формирования более однородной структуры цементного камня и создании на зернах отхода первичного контактного слоя структурированного связующего непосредственно в процессе активации.

4. Получены двухфакторные математические модели с построением номограммы, отражающие изменения удельной поверхности рабочей смеси и прочности на сжатие затвердевшего камня в зависимости от соотношения между пылевидным отходом и вяжущим и длительностью механохимической активации, позволяющие выбрать оптимальные режимы для достижения наибольшей прочности газобетона. Установлено, что в результате механохимической активации прочность цементного камня увеличивается на 50 - 60%.

5. С помощью методов РФ А, ДТА и электронной микроскопии установлено, что механохимическая активация рабочих смесей способствует интенсификации взаимодействия частиц пылевидного отхода сушки песка с гидратными образованиями смешанного вяжущего с образованием наряду с высокосновными и низкоосновных гидросиликатов кальция, являющихся главными носителями прочности в цементном камне и образующие пространственный каркас с повышением устойчивости системы при формировании пористой структуры.

6. С помощью метода математического планирования эксперимента, получены многофакторные математические модели второго порядка, описывающие изменения прочности и средней плотности газобетона на основе активированных смесей, содержащих пылевидный отход, в зависимости от следующих факторов: соотношения между отходом и вяжущим, С; водотвердого отношения, В/Т; расхода алюминиевой пудры. По моделям построены номограммы, позволяющие оптимизировать составы газобетона.

7. Получены математические модели, описывающие влияние времени перемешивания смеси из активированных рабочих смесей без газообразователя на прочность плотных затвердевших образцов и влияние времени перемешивания смеси с газообразователем на прочность ячеистого бетона, позволяющие выбрать оптимальные режимы перемешивания.

8. Получены многофакторные зависимости режимов термообработки для газобетона с использованием пылевидных отходов сушки песка от главных факторов: температуры и времени изотермической выдержки; температуры и времени сушки газобетона, необходимые для оптимизации термообработки и получения изделий с требуемой прочностью и влажностью.

9. Установлено, что механохимическая активация рабочих смесей позволяет значительно облагородить поровую структуру раствора перегородок газовых пор газобетона, суммарная пористость цементного камня уменьшается в полтора раза, показатель среднего размера пор смещается в сторону более мелких пор, что способствует улучшению эксплуатационных свойств газобетона.

10. Изучены основные свойства газобетона с использованием пылевидного отхода сушки песка; установлены зависимости теплопроводности газобетона от его средней плотности и влажности, усадки при высыхании газобетона от его влажности. Физико-механические показатели неавтоклавного газобетона со о средней плотностью 400 - 900 кг/м на основе рабочих смесей, содержащих пылевидные отходы сушки песка, соответствуют требованиям ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия» и практически приближаются к показателям автоклавного ячеистого бетона.

11. Разработаны «Рекомендации по технологии изготовления мелких стеновых блоков из неавтоклавного газобетона с использованием отходов сушки песка».

12. Проведенное производственное опробование в заводских условиях и результаты испытаний изделий свидетельствуют о возможности изготовления неавтоклавных газобетонных изделий на основе рабочих смесей, содержащих пылевидные отходы сушки песка. Технико-экономические расчеты показывают достаточную эффективность их производства. Ожидаемый годовой эффект от производства изделий из газобетона с использованием пылевидных отходов сушки песка мощностью 10000 куб. м. составит 56 тыс. руб. при сравнении с газобетонами, изготавливаемыми на традиционных материалах.

1. Августинник А.И. Керамика. JL: Стройиздат, 1975. - 591с.

2. А.С. 2052293 от 20.01.96г., Свиридов J1.H. Установка для тонкодисперсной обработки и активации материалов

3. Аскалонов В.В. Технология цементогрунта. -М. -.Стройиздат, 1957.-256с.

4. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. -М.: Стройиздат, 1981. 486 с.

5. Бабаев Ш.Т., Башлыков Н.Ф., Сердюк В.Н. Основные принципы получения высокоэффективных вяжущих низкой водопотребности. // Промышленность строительных материалов. Сер. 3. Промышленность сборного железобетона. / ВНИИЭСМ.-М., 1991.-Вып. 1.-76 с.

6. Баженов Ю.М. Высококачественный тонкозернистый бетон. // Строит, материалы, 2000, №2, стр. 24-25.

7. Баженов Ю.М. Технология бетона: Учеб. пособие для технол. спец. строит, вузов. М.: Высш. шк., 1987. - 415 с.

8. Баженов Ю.М., Вознесенский В.А. Перспективы применения математических методов в технологии сборного железобетона. М.: Стройиздат, 1974. - 192 с.

9. Баженов Ю.М., Магдеев У.Х., Алимов J1.A., Воронин В.В., Гольденберг Л.Б. Мелкозернистые бетоны. Учебное пособие. -М.: Моск. гос. строит, ун-т, 1988. -148 с.

10. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. М.: Стройиздат, 1990. - 400с.

11. Батраков В.Г., Бабаев Ш.Т., Башлыков Н.Ф., Фаликман В.Р. Бетоны на вяжущих с низкой водопотребностью. // Бетон и железобетон, 1988, №11. С. 4 - 6.

12. Безрук В.М. Укрепление грунтов. -М.: Транспорт, 1965. 340с.

13. Безрук В.М. Теоретические основы укрепления грунтов цементами. М.; Авто-трансиздат, 1956. -247 с.

14. Белик Я.Г. К вопросу о взаимодействии компонентов бетона // ДАН УССР. -Киев, 1955 №4 - с. 373 - 379.

15. Бенштейн Ю.И. Исследование взаимодействия гидратных новообразований цементного камня с заполнителем. Дисс. канд. техн. наук. -М. 1971 - 145 с.

16. Ботвина JIM. Строительные материалы из лессовидных суглинков. Т.: Уки-тувчи, 1984-128с.

17. Ботвина JI.M., Салиджанов С.Б. Ячеистый бетон на основе природных лессовидных суглинков. //Строительство и архитектура Средней Азии, 1964, №3. -с.12-15.

18. Будников П.П. О получении глиноизвесткового кирпича. // Строительная промышленность, 1928, №11, с. 17-18.19