автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом типоморфизма сырья

На правах оукописи

СТРОКОВА Валерия Валерьевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ С УЧЕТОМ ТИПОМОРФИЗМА СЫРЬЯ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Белгород - 2004

Работа выполнена в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Гридчин Анатолий Митрофанович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Комохов Павел Григорьевич

_ доктор технических наук, профессор Носов Владимир Петрович

_ доктор технических наук, профессор Прошин Анатолий Петрович

Ведущая организация - Федеральное Государственное унитарное

предприятие научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт по проблемам добычи, транспорта и переработки минерального сырья в промышленности строительных материалов ФГУП "ВНИПИИстромсырье", г. Москва

Защита состоится "21 " декабря 2004 года в 14° часов на заседании диссертационного Совета Д.212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГГУ им. В.Г. Шухова, ауд. 242 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Автореферат разослан " 8 " ноября_2004 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

доктор технических наук, профессор Г.А.Смоляго

'г\пъ

3

Актуальность. Важнейшей задачей современности является снижение энергоемкости производства продукции. Особенно это актуально для промышленности строительных материалов, где затраты энергии на единицу продукции в Российской Федерации значительно выше, чем в ведущих странах Европы, США и Японии. Повышение эффективности производства строительных материалов подразумевает, с одной стороны, поиски новых технологических решений, с другой - более глубокое и всестороннее изучение энергетики исходного сырья. В связи с ограниченностью природных ресурсов, труднодоступностью новых месторождений и низкой технологичностью минерального сырья все большую актуальность приобретают исследовательские работы, связанные с изучением влияния типоморфных признаков породообразующих минералов на энергоемкость производства строительных материалов. Каждое месторождение стройиндустрии характеризуется определенными типоморфными признаками слагающих его минералов, которые выступают в качестве индикаторов скрытого потенциала минеральных запасов как природного, так и техногенного сырья.

Недостаточное аппаратурное обеспечение и неполное использование информации минералого-геохимического характера не позволяли уделять должного внимания вопросу влияния типоморфных признаков сырья и, особенно, кристаллохимических особенностей породообразующих минералов на процессы синтеза новообразований в сложных системах искусственных конгломератов и структурно-текстурные характеристики строительных композитов.

Представляется необходимым разработка теоретических положений повышения эффективности производства строительных материалов и расширения сырьевой базы стройиндустрии с учетом типоморфных признаков сырья.

Работа выполнялась в рамках НТП Минобразования РФ «Методологические основы рационального использования техногенного сырья в промышленности строительных материалов» (шифр 03.01.055) и НТП «Кристаллохимиче-ские основы оптимизации процессов структурообразования в строительном материаловедении при использовании техногенного сырья» (шифр 207.03.01.078), раздела 03 «Проблемы рационального использования минеральных ресурсов»; ГРАНТа по фундаментальным исследованиям в области технических наук Министерства образования РФ «Кристаллохимические предпосылки создания эффективных обжиговых материалов в зависимости от генезиса кварцевых пород», шифр Т. 02-12.2-1587; единого заказ наряда на про падение научно-

исследовательских работ, финансированного из средств федерального бюджета, утвержденного Министерством образования РФ на 1999-2003 гг.

Цель работы. Повышение эффективности производства строительных материалов и расширение сырьевой базы стройиндустрии с учетом типомор-физма породообразующих минералов и наследования степени совершенства кристаллических структур сырьевых минералов, новообразованными при синтезе искусственных композитов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка методологических основ повышения эффективности производства строительных материалов и расширения сырьевой базы стройиндуст-рии с учетом типоморфизма сырья и наследования степени совершенства кристаллических структур сырьевых минералов новообразованными;

- разработка энергосберегающих технологий получения стеновых и дорожно-строительных материалов.

Научная новизна. Разработаны методологические основы повышения эффективности производства строительных материалов и расширения сырьевой базы стройиндустрии с учетом типоморфных признаков сырья. Установлен характер влияния на процессы структурообразования неорганических строительных материалов типоморфных признаков сырья: габитуса кристаллов, характера агрегатов и поверхности зерен, содержания в минералах изоморфных элементов примесей, степени упорядоченности структур минералов, видов и количества дефектов, полиморфизма, изоморфизма и др. Это позволяет прогнозировать характер структурообразования в системе «сырье - строительный материал» и контролировать процессы самоорганизации при синтезе сложных техногенных систем, которыми являются искусственные композиты.

Установлено явление наследования степени совершенства кристаллических структур сырьевых минералов новообразованными при синтезе искусственных композитов, заключающееся в том, что при одинаковых условиях синтеза, направленных на создание вещества с высокими технологическими показателями, но с минимумом энергозатрат синтезировать высокозакристаллизованные новообразования с более высоким видом симметрии можно лишь в результате использования в качестве сырьевых компонентов вещества также максимально симметричные, и с минимальным содержанием несовершенств кристаллической структуры. И, напротив, при синтезе композита с дефектными новообра-

зованиями - необходимо использовать сырье незавершенной стадии минерало-образования. Это позволит получать сырьевые смеси с качественно новым энергетическим состоянием, что создаст объективные условия для внедрения нанотехнологий в строительное материаловедение.

Установлен характер влияния степени несовершенства кварца на его реакционную способность и фазовый состав синтезируемых гидросиликатов кальция в системе «СаО-ЗЮг-НгО», заключающийся в том, что при использовании кварца с высокой степенью кристалличности, при прочих равных условиях, образуются высокоосновные фазы, и, напротив, при высокой степени несовершенства структуры формируются низкоосновные гидросиликаты кальция. В то же время, при синтезе новообразований с использованием аморфного кремнезема, вопреки данной закономерности, образуются высокоосновные гидросиликаты кальция. Это объясняется высокой растворимостью данного типа кремнезема и образованием из пересыщенного раствора опала, что и приводит к дефициту и синтезу высокоосновных новообразований.

Выявлен механизм влияния минерального состава и типоморфных особенностей глинистого сырья на процессы структурообразования матрицы при синтезе грунтоизвестковых композитов и цементогрунтобетонов. Установлено, что наиболее перспективными для этих целей являются фазы, характеризующиеся незавершенной стадией минералообразования, к которым относятся: рентге-ноаморфное вещество, смешанослойные образования и суглинки эолово-элювиально-делювиального генезиса четвертичного периода, а также опоко-видные глины умеренных глубин региона КМА. Реализация осуществлена при проектировании грунтобетона для строительства оснований дорожных одежд.

Уточнен характер полиморфных переходов кристаллического кремнезема различных генетических типов в процессе подъема температуры методом высокотемпературного рентгенофазового анализа, в том числе в присутствие ще-лочесодержащих добавок. Доказано отсутствие образования высокотемпературной фазы а-тридимита, установлено начало формирования а-кристобалита при 1130 °С, устойчивое существование фазы а-кварца до температуры 1470 °С. Впервые установлены температурные границы интервалов существования моно- и смешанных фаз. Монотропное существование р-кварца возможно до 290 °С, а-кварца с 573 до 1130 °С, а-кристобалита - выше 1470 °С. В температурном интервале 290-573 °С одновременно присутствуют Р- и а-модификации

кварца, а в интервале 1130-1470 °С - а-кварца и а-кристобапита. Это позволило разработать технологии производства широкой номенклатуры строительных материалов.

Сформулированы принципы повышения эффективности производства керамических материалов за счет использования нетрадиционного алюмосили-катного сырья зоны гипергенеза, при этом критерием эффективности глиноземистого сырья выветрелых пород являются несовершенства кристаллической структуры глинистых минералов. Наличие подобного сырья будет способствовать расширению номенклатуры производства в ЦЧЭР России белого и цветного цементов, муллитовых огнеупоров, эффективного лицевого кирпича.

Практическое значение. Разработаны принципы проектирования эффективных строительных материалов с учетом типоморфных признаков сырья.

На основании выявленных закономерностей влияния типоморфных особенностей кварца на свойства строительных материалов автоклавного твердения предложены дополнения к ОСТ 21-1-80 "Песок для производства силикатных изделий автоклавного твердения".

Модернизировано оригинальное оборудование и разработан ряд методик для высокотемпературного рентгенофазового анализа, позволяющие выполнять исследования до 1500 °С с более высокой скоростью и разрешающей способностью записи спектров изменения фазового состава при помощи пакета программ РЕЬБов на ЭВМ, изучать кинетику фазообразований вплоть до полного расплава при непрерывном изменении процессов во времени и температуре, а так же автоматизировать последующую обработку и распечатку серий полученных дифрактограмм.

Разработана классификация грунтов КМА. Определены генетические типы фунтов, наиболее пригодных для укрепления неорганическими вяжущими.

Предложены оптимальные составы для укрепления земляного полотна и устройства оснований автомобильных дорог на основе глинистого сырья различных генетических типов. Разработана технология производства грунтобетона и сухих дорожно-строительных смесей.

Разработана технология производства низкообжиговой тротуарной плитки широкой цветовой гаммы на основе кварцевого сырья и техногенных отходов КМА.

Практические результаты работы защищены патентами РФ.

Внедрение результатов исследований. Результаты проведенных исследований позволили апробировать и внедрить в производство технологии: известково-кремнеземистого вяжущего с использованием выветрелых кварци-топесчаников; силикатных автоклавных материалов на основе отсева дробления кварцитопесчаников; грунтобетонов на основе глинистых пород региона КМА и известьсодержащих отходов; низкообжиговой тротуарной плитки на основе широкодоступного кварцевого сырья различных генетических типов.

Для широкомасштабного внедрения результатов работы при строительстве и реконструкции автомобильных дорог, устройстве тротуаров и производстве стеновых силикатных автоклавных материалов разработаны технологические документы:

- технические условия на «Вяжущее из известковых отходов сахарных заводов». ТУ 5744-008-02066339-00;

- рекомендации по использованию глинистых фунтов КМА для укрепления оснований дорожных одежд;

- технологический регламент на «Производство цементогрунтов с использованием глинистых пород КМА и вяжущего из известковых отходов сахарных заводов для укрепления оснований дорожных одежд»;

- технологический регламент на «Изготовление обжиговой тротуарной плитки на основе кварцевых пород»;

- технические условия на «Плитку тротуарную на основе кварцевых пород». ТУ 5746-016-2066339-2004;

- рекомендации по использованию железосодержащих отходов ЭСПЦ ОЭМК;

- технические условия на «Песок строительный из отсева дробления квар-цитопесчаников Лебединского месторождения». ТУ 5743-009-02066339-2002.

Выпущены опытно-промышленные партии низкообжиговой тротуарной плитки, силикатного кирпича, мелких стеновых блоков из газосиликата.

Результаты работы использовались при реализации программы «Развитие дорожной сети в сельских населенных пунктах Белгородской области и их благоустройство» (постановления Администрации № 494 от 23.09.1998), в рамках которой реконструировано, благоустроено и построено более 3300 км автомобильных дорог и тротуаров. При этом получен значительный экологический, социальный и экономический эффект.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленного внедрения: способствовали созданию НИЛ «Грунтобетоны для дорожного строительства»; используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 29.10 и 29.06, что отражено в учебных программах дисциплин «Материаловедение», «Строительные материалы и изделия», «Основы научных исследований»; использованы в изданных учебных пособиях: «Охрана окружающей среды на предприятиях дорожного строительства», 1997; «Лабораторный практикум по строительным материалам», 2001; «Минералогия и петрография сырья для производства строительных материалов и технической керамики», 2001.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на 24 Международных конференциях и симпозиумах, 5 академических чтениях РААСН, Всероссийской и Региональной конференциях, в том числе: Четвертых, пятых и шестых международных симпозиумах «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» (Белгород, 1997, 1999, 2001); Научной конференции Кольского филиала РАН (Апатиты, 1998); II конгрессе обогатителей стран СНГ (Москва, 1999); Международных научно-практических конференциях-школах-семинарах молодых ученых и аспирантов (Белгород, 1998, 1999, 2001); IX Международной конференции «Технология, оборудование и сырьевая база горных подотраслей промышленности строительных материалов» (Москва, 2000); Международных научно-технических конференциях: «Резервы производства строительных материалов» (Барнаул, 1997), «Проблемы научно-технического прогресса в строительстве в преддверии нового тысячелетия» (Пенза, 1999), «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2000), «Проблемы и перспективы архитектуры и строительства» (Томск, 2003); Международных научно-практических конференциях: «Проблемы науки, образования и устойчивого развития общества в начале XXI века» (Чимкент,

2003), «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (Белгород,

2004); Международной конференции «Кристаллогенезис и минералогия» (С.Петербург, 2001); Международном совещании «Рентгенография и кристаллохимия минералов» (С.-Петербург, 2003); Международном форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2003); Международном минерало-

гическом семинаре «Кварц. Кремнезем» (Сыктывкар, 2004); Вторых, четвертых, пятых, шестых и седьмых академических чтениях РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» (Казань, 1996), (Пенза, 1998), (Воронеж, 1999), (Иваново, 2000), (Белгород, 2001).

Под руководством автора защищены четыре диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 83 работах, в том числе в 6 монографиях и учебных пособиях, 11 статьях научных журналов по списку ВАК России, защищены патентами РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из семи глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 440 страницах машинописного текста, включающих 136 рисунков и фотографий, 66 таблиц, список литературы из 438 наименований, 18 приложений.

На защиту выносятся. Методологические основы повышения эффективности производства строительных материалов с учетом типоморфных признаков сырья.

Явление наследования степени совершенства кристаллических структур сырьевых минералов новообразованными при синтезе искусственных композитов.

Характер влияния степени несовершенства кварца на его реакционную способность и фазовый состав синтезируемых гидросиликатов кальция в системе «СаО-БЮг-НзО».

Механизм структурообразования и набора прочности грунтобетонов на основе глинистых пород региона КМА.

Принципы повышения эффективности производства керамических материалов за счет использования нетрадиционного алюмосиликатного сырья зоны гипергенеза.

Характер полиморфных переходов кристаллического кремнезема различных генетических типов в процессе подъема температуры, установленный методом ВТРФА, в том числе в присутствие щелочесодержащих добавок.

Технологии производства эффективных стеновых и дорожно-строительных материалов.

Результаты производственных испытаний и внедрения.

Содержание работы

Повышению эффективности и расширению сырьевой базы производства строительных материалов посвящены исследования многих научных школ. Благодаря работам И.Н. Ахвердова, Ю.М. Баженова, В.М. Безрука, П.И. Боже-нова, Ю.М. Бутта, А.В. Волженского, Ю.И. Гончаров, Г.И. Горчакова, A.M. Гридчина, И.С. Кайнарского, В.И. Калашников, В.К. Классена, П.Г. Комохова, B.C. Лесовика, И.Г. Лугининой, Н.И. Минько, В.М. Могилевича, В.М. Москвина, О.П. Мчеделова-Петросяна, В.П. Носова, И.Г. Орловой, А.П. Прошина, В.Б. Ратинова, Ш.М. Рахимбаева, Л.Н. Рашковича, И.А. Рыбьева, Л.Б. Сватовской, В.И. Соломатова, Е.И. Чернышева, А.Е. Шейкина и др. в Российской Федерации разработаны технологии производства эффективных строительный материалов.

В настоящее время в строительном материаловедении разрабатываются проблемы, связанные с вовлечением в промышленное использование новых видов свфья, с проведением минералогических исследований, как исходнвж компонентов, так и искусственных композитов, направленных на более полное комплексное использование как природного, так и техногенного свфья.

Предложенная нами иерархия организации вещества показывает, что нельзя не принимать во внимание типоморфные особенности сы1рья (рис. 1), тем более что изучение эволюции кристаллохимических превращений в системе "сырье - материал" способствует прогнозированию свойств на уровне выбора исходных компонентов.

Типоморфизм минералов - это генетическая и технологическая обусловленность характерных свойств и признаков минералов. На каждой стадии развития процесса минералообразования вещество приобретает свои специфические типоморфные черты. К типоморфным признакам относят (рис. 2): морфологические особенности выделений минералов (габитус кристаллов, двойники, характер агрегатов, характер поверхности зерен и др.); вариации химического состава минерала и содержания в нем изоморфным элементов примесей; некоторые физические свойства (плотность, микротвердость, отражательная способность, люминесценция, электрические, магнитные и др.); структурные особенности (степень упорядоченности структур минералов, виды и количество дефектов, различие в структурах политипов, полиморфизм, изоморфизм и т.д.). Все эти признаки приводят к изменению свойств минералов и сырья в целом (рис. 2) и предопределяют процессы синтеза строительных материалов и их свойства.

Рис. 1. Схема иерархии уровней организации вещества при производстве строительных материалов

В своем эволюционном преобразовании породообразующие минералы проходят ряд стадий, при которых изменяется степень совершенства кристаллической структуры породообразующих минералов. Реальные кристаллы одних и тех же минералов сырья промышленности строительных материалов, имеющие различное происхождение и, даже, принадлежащие одному и тому же генетическому типу, будут занимать различные позиции на воображаемой прямой пере-

| прочность! I спекаем ость] [ растворимостЦ | электрическая проводимость!

Рис 2. Зависимость свойств сырья от типоморфных признаков породообразующих минералов

9

Причины отклонений реальных кристаллов от идеальных лежат в нарушениях внутренней (атомной) структуры кристалла, вызванной далеко неидеальными условиями синтеза и постъявлениями. Проявлением отличий реальных кристаллов сырья от идеальных, и минералов одного состава, но различного генезиса друг от друга - и являются их типоморфные особенности.

Каждое месторождение стройиндустрии характеризуется определенными типоморфными признаками слагающих его минералов, которые выступают в качестве индикаторов скрытого потенциала минеральных запасов, как природного, так и техногенного сырья.

Таким образом, процессы структурообразования неорганических строительных материалов предопределяются не столько химическим составом исходных компонентов, сколько типоморфными признаками сырья, которые как призма, преобразуют все свойства вещества, изменяя их численные характери-

стики по сравнению со значениями совершенных кристаллов, которых в природе не существует. Обладая информацией по характерным типоморфным признакам сырья того или иного генетического типа можно без комплексных технологических исследований прогнозировать рациональные области применения и расширять сырьевую базу стройиндустрии, рекомендовать оптимальные условия синтеза, прогнозировать степень совершенства новообразований, снижать энергоемкость производства строительных материалов и т.д.

Разработка теоретических основ типоморфизма техногенеза, анализ теоретических исследований в области кристаллохимии, генетической минералогии и материаловедения, установленное явление фрактальности структур природных и техногенных минералов; рассмотрение основ генетики, экстраполяция адекватных процессов органического мира на неорганический позволили установить характер зависимости, заключающийся в наследовании степени совершенства кристаллических структур (т.е. степени порядка) сырьевых минералов техногенными при производстве строительных материалов.

Данная зависимость позволяет за счет правильного выбора сырья и технологии существенно снизить энергоемкость производства искусственных композитов, т.е. получать сырьевые смеси с качественно новым энергетическим состоянием, что создает объективные условия для внедрения нанотехнологий в строительное материаловедение.

При разработке схемы кристаллохимических закономерностей в системе "сырье - процесс синтеза - новообразование" мы руководствовались четырьмя принципами: 1) наличием явления наследованности структурных особенностей исходных минералов синтезируемыми; 2) тенденцией к структурной упорядоченности минералов в процессе их искусственного синтеза в оптимальных термобарометрических и минералогических условиях; 3) фрактальности природных и техногенных процессов; 4) соответствием свойств всех компонентов системы свойствам конгломерата на их основе, т.е. законом конгруэнции.

Так, установленное нами явление наследования позволило проследить следующую тенденцию: при одинаковых условиях синтеза, направленных на создание вещества с высокими технологическими показателями, но с минимумом энергозатрат синтезировать высокозакристаллизованное новообразование с более высоким видом симметрии можно лишь в результате использования в каче-

стве сырьевых компонентов вещества также максимально симметричные, и с минимальным содержанием несовершенств кристаллической структуры. И, напротив, при синтезе композита с дефектными новообразованиями - необходимо использовать сырье незавершенной стадии минералообразования.

Установленная зависимость позволила сделать следующие выводы:

1) Для получения материала, эксплуатируемого в экстремальных условиях, необходимо синтезировать новообразования с более высоким видом симметрии кристаллов, чем симметрия сырьевых компонентов. И в то же время для этих целей необходимо использовать сырье с высоким видом симметрии кристаллов высокой степени совершенства.

2) При синтезе веществ, основным технологическим параметром которых является повышенная активность, например вяжущие, идет обратный процесс: симметрия сырьевых компонентов выше, чем новообразованных фаз.

Установленные закономерности подтверждаются и литературными данными. Так работами специалистов Казанского государственного университета показано, что анизотропия дефектности минералов вяжущих веществ (бассани-та и является унаследованной от исходного минерала (гипса), из кото-

рого они были получены. Анализируя работы американских и японских исследователей мы установили, что муллит с совершенной кристаллической структурой получают при использовании каолинита моноклинной, а не триклинной сингонии, т.е. более высокой симметрии.

Эффективность использования данных по типоморфизму сырья и установленное явление наследования были апробированы при разработке стеновых и дорожно-строительных материалов на основе широкого спектра сырья различных генетических типов.

Установлено различие степени кристалличности кварца различных генетических типов (табл. 1), которое обусловлено изменением концентрации и типов дефектов кристаллической структуры минералов. Это подтверждает утверждение о том, что реальные кристаллы одних и тех же минералов сырья промышленности строительных материалов, имеющие различное происхождение занимают различные позиции на воображаемой прямой перехода от идеально кристаллического до аморфного состояния и, следовательно, обеспечивают изменение энергетических затрат при синтезе материалов на их основе.

Таблица 1 Рабочей гипотезой при Характеристика кристалличности кварца апробации разработанной концепции на примере силикатных автоклавных материалов являлась зависимость реакционной способности кремнезема в системе от типоморфизма кварца.

Для проверки рабочей гипотезы проводилось исследование влияния типоморфных признаков на гранулометрический состав и морфологию диспергированного вещества, процессов происходящих в системе «СаО-БЮг-НгО», контактной зоны гидросиликатов кальция с реликтовым кремнеземом и структурных особенностей материалов на основе кварца различного происхождения. Для исследований были выбраны метаморфогенный кварц, гидротермальный, искусственно-выращенный (т.е. бездефектный), кварц аллювиальных отложений и кремнекислота.

Изучение влияния различия типоморфных признаков кварца на процессы дезинтеграции позволило сделать следующие выводы: энергозатраты необходимые на дезинтеграцию метаморфогенного кварца в 1,4 раза ниже, чем кварца аллювиальных отложений (рис. 4); данные анализа распределения частиц по размерам проведенного методом мембранного фракционирования показывают, что гранулометрический состав молотого кварца различного генезиса неидентичен, максимальное содержание фракции 2,5-10 мкм приходится на метамор-фогенный кварц, минимальное - на элювиальный; наблюдаются существенные

* 1„„, - истинная интегральная интенсивность и полуширина дублета; ш-их отношение, приведенное к 1 по бразильскому кварцу; К, - коэффициент кристалличности, полученный из данных не обработанных спектров, К«|гф„КД) - К, после сглаживания спектра и удаления выбросов

Исследованные дублеты

Вид кварца дифракционных отражений*

206,413,330 20 20-65°

Бразильский кварц 487.5/0.162 1,00 0.64 1,00

Ильменский 425.7/0.183 0.58

горный хрусталь 0,78 0,89

Кварц кварцитопесча-ников зеленосланцевой фации метаморфизма 390.7/0.234 0,56 0.51 0,86

Кварц Вольского ме- 356.1/0.235 0.47

сторождения песков 0,51 0,85

Кварц Нижне-Ольшанекого месторождения песков 341.4/0.241 0,47 0.44 0,84

отличия исследованных молотых образцов кварца по форме и морфологии поверхности зерен.

Образцы, для которых характерна повышенная частота встречаемости структурных дефектов типа: поликристалличность с изрезанными, лапчатыми контурами индивидов, блоч-ность, волнистое угасание, обладают более развитой поверхностью. Хорошо видны ступенчатые структуры скола. Менее развитая поверхность с раковистым изломом характерна для бездефектных разновидностей кварца. Различается форма зерен различных генетических типов по фракциям: чем менее дефектен кварц (искусственный), тем более однородна (изометрична) форма частиц в мелких и крупных фракциях.

Повышенное содержание мелкой фракции, развитая поверхность метамор-фогенного кварца, наличие дефектов кристаллической структуры, минеральных включений увеличивают его растворимость по сравнению с образцами других генетических типов.

Отличие размеров, форм и морфологии поверхности частиц дезинтегрированного кварца приводит к разным физико-химическим условиям синтеза. Следствием этого является многообразие морфологических типов новообразований.

С учетом данных РФА, электронной микроскопии, ИК-спектроскопии и ДТА предлагается следующая последовательность формирования новообразований. В начальный период автоклавирования происходит интенсивное растворение SiO2. В местах, где раствор достиг пересыщенного состояния, кремнезем выпадает в осадок, возникает глобулярная структура с минимальной удельной

О 25 50 75 100

Содержание породы, %

Рис. 4. Влияние содержания метаморфогенного кварца в сырьевой смеси на коэффициент размолоспособности (3) прочность (1) и среднюю плотность (2) ячеистого бетона

поверхностью и образуется опал. Глобулярная структура основной массы, присущая всем образцам, подвергнутым 8 часам изотермической выдержке, наиболее ярко выражена у материала на основе кремнекислоты. Это свидетельствует о том, что не весь перешедший в раствор диоксид кремния при данных термодинамических условиях включается в реакцию с оксидом кальция. Новообразованные гидросиликаты кальция в большинстве своем являются рентгеноаморф-ными.

На стенках пор образца на основе кремнекислоты наблюдаются пластинчатые образования гидросиликатов повышенной основности (рис. 5, а), которыми, вперемешку с глобулами, сложена основная масса И лишь в образце на основе кварцитопесчаника наблюдаются лепестки (рис. 5, б), характерные для двадцатичетырехчасовых опытов.

На начальной стадии формируются гидросиликаты низкой основности с межплоскостным расстоянием

о

14А. По мере увеличения времени автоклавной обработки за счет частичного обезвоживания гидросиликатов кальция происходит уплотнение структуры новообразований и в образцах, синтезированных по режиму 4+24+4 ч, образуются минералы сходные по структуре с

о

волластонитом, имеющие расстояние между слоями 7,3 А. Количество опала, в зависимости от исходного типа кварца, в этих образцах различно.

Таким образом, исследованная система представляет собой высокомикропористый агрегат, состоящий из гидросиликатов кальция разной основности, а, следовательно, различной морфологии. Это определяется неоднородностью процессов, протекающих в каждом отдельно взятом образце. Параллельно с

гидросиликатами встречаются реликтовый и новообразованный кварц, опало-видные формы кремнезема, в виде рассеянных по основной массе глобул, а также новообразованные карбонаты.

Как известно, наиболее предпочтительными, применительно к технологии автоклавных материалов, являются низкоосновные гидросиликаты кальция, которые в нашей системе синтезированы на основе ме-таморфогенного (рис. 6, а) и элювиального кварца. По количеству же более высокоосновных новообразований на первом месте образец, исходным материалом которого являлась кремнекис-лота (рис. 6, б).

Таким образом, установлено, что различие типоморфных признаков оказывает влияние на реакционную способность кварца. Это приводит к формированию гидросиликатов кальция различного состава и, как следствие, к отличиям технологических показателей. Обнаружено, что при пересыщении раствора оксидом кремния в автоклавных условиях образуется опал. Это объясняет низкие показатели свойств материалов на основе аморфного кремнезема в том случае, если при проектировании не используется информация по типоморфизму свфья.

Степень совершенства кристаллической структуры оказышает влияние на реакционную способность кварца. Это подтверждается снижением времени изотермической выдержки при производстве силикатных автоклавных материалов за счет использования пород зеленосланцевой фации по сравнению с традиционным сырьем (рис. 7, а). При этом повышается прочность композита.

а) х 300 б) х 7000

Рис. 6. Новообразования, синтезированные при 24-х часах изотермической выдержки (РЭМ): а - на основе ме-таморфогенного кварца; б - на основе кремнекислоты

Исходя из известных типоморфных признаков кварца различных стадий метаморфизма сделан вывод о том, что энергозатраты на получение вяжущих автоклавного твердения из эпигенетически измененных кварцитопесчаников будут на 15-20 % ниже. При повышении степени метаморфизма происходит перекристаллизация кварца, он становится чище, освобождаясь от микровключений и, следовательно, прочностные свойства пород возрастают, реакционная способность падает, а энергоемкость производства силикатных автоклавных материалов повышается. Таким образом, прогнозируется снижение энергоемкости при использовании кварца от гранул итовой амфиболитовой эпидот-амфиболитовой к зеленосланцевой фации метаморфизма

Время изотермической выдержки, час Время изотермической выдержки, час

а) б)

Рис. 7. Предел прочности при сжатии образцов плотной структуры в зависимости от времени изотермической обработки на основе: 1 - песка Нижне-Ольшанского месторождения; 2 - отсева дробления кварцитопесчаника фракции 0-2 мм; 3 - выеетрелого кварцитопесчаника (вяжущее) и отсева дробления кварцитопесчаника; 4 - выветрелого кварцитопесчаника (вяжущее) и песка Нижне-Ольшанского; 5 - отсева дробления кварцитопесчаника фракции 0-2 мм + домолом 10 % вяжущего до £>„=750 м2/кг; 6 - кварцитопесчаника выветрелого + домола 10 % вяжущего до 8у„=750 м5/кг (вяжущее) и песка Нижне-Ольшансхого

С учетом полученных нами теоретических и экспериментальных данных (рис. 7, б) можно сделать вывод о том, что использование для производства вяжущих автоклавного твердения выветрелых кварцитопесчаников позволит снизить энергозатраты в 1,5-2 раза за счет использования частично аморфизован-ного и дефектного кварца.

Следует отметить, что области рационального использования выветрелых кварцитопесчаников не установлены, запасы их не утверждены, т.е. они не являются полезными ископаемыми и вывозятся в настоящее время в отвал.

Учитывая имеющиеся данные по важнейшим типоморфным признакам кварца различного происхождения и результаты проведенных нами исследований, установлено, что энергоемкость производства силикатных автоклавных материалов снижается в ряду: кварц пегматитов - жильный - кварц молодых гранитоидов - древних гранитоидов - метаморфических пород - кислых эффу-зивов.

Таким образом, установлен характер влияния степени несовершенства кварца на его реакционную способность и фазовый состав синтезируемых гидросиликатов кальция в системе заключающийся в том, что при использовании кварца с высокой степенью кристалличности, т.е. с минимальным содержание дефектов структуры, при прочих равных условиях образуются высокоосновные фазы, и, напротив, при высокой степени несовершенства структуры формируются низкоосновные гидросиликаты кальция. Но при синтезе новообразований с использованием аморфного кремнезема, т.е. наиболее несовершенного, вопреки данной закономерности образуются высокоосновные гидросиликаты кальция. Это объясняется высокой растворимостью данного типа кремнезема и образованием из пересыщенного раствора опала, что и приводит к дефициту и синтезу высокоосновных новообразований. Установленная закономерность позволила разработать принципы проектирования для получения силикатных автоклавных материалов с использованием аморфных разновидностей кремнезема.

Сформулированы принципы выбора сырья и формирования эффективных грунтобетонов в дорожном строительстве в зависимости от минерального состава и степени совершенства кристаллических структур породообразующих минералов глинистых пород КМА, заключающиеся в том, что в качестве компонента вяжущего, используемого для получения дорожно-строительных материалов естественного твердения, целесообразно применять несовершенные глинистые минералы, с дефектами кристаллической структуры, т.е. породы незавершенной стадии минералообразования.

Это позволило дать рекомендации для использования в дорожном строительстве глинистых осадочных пород различного генезиса, состава и строения, покрывающих около 70 % площади региона КМА, для устройства укрепленных оснований автомобильных дорог. Исследование сырьевого потенциала региона, позволило составить генетическую классификацию грунтов в зависимости от условий их формирования.

Анализ запасов грунтов различных генетических типов показал, что наиболее широко распространенными и имеющими промышленное значение являются глинистые породы эолово-элювиально-делювиальных, морских при-брежно-лагунных и делювиальных отложений четвертичного периода

Изученные грунты относятся к грубодисперс-ным глинистым породам, насыщенным тонкодисперсным кварцем зоны се-диментогенеза и диагенеза Микроструктура глин различных генетических типов отличается степенью дисперсности, строением глинистых минералов, пористостью и т.д. Установлен характер изменения состава (рис. 8) и свойств грунтов с глубиной. Впервые установлено наличие рентгеноаморфного вещества (RAS) в глинистых породах региона КМА, которое является наиболее активным компонентом твердеющих систем.

Одним из важнейших мероприятий улучшения долговечности качества автомобильных дорог является укрепление земляного полотна Для этих целей предложено использование известьсодержащих отходов сахарных заводов. В процессе хранения известь частично гидратируется и далее, в результате карбонизации превращается в смесь «портландит-кальцит», о чем свидетельствуют

Содержание Содержание Содержание Содержание кварца, глинистых смектита, RAS,

% минералов, % % %

19 25 35 45 SS 0 15 30 45 60 75 0 15 30 45 60 75 0 10 20 30 40 50

Рис. 8. Графики распределения минералогического состава с глубиной для эоцен-четвертичных образцов

данные рентгенофазового анализа и электронно-микроскопических исследований отходов взятых из различных участков отвалов.

Установлен механизм структурообразования и набора прочности грунто-известкового композита на основе глинистых пород КМА, заключающийся в химическом взаимодействии полиминерального вещества глинистых пород (рис. 9, а) с известьсодержащими отходами и синтезе гелеобразных новообразований (рис. 9, б) на гранях кристаллов глинистых минералов с дефектами кристаллической структуры, что приводит к переходу конденсационной структуры смеси в конденсационно-кристаллизационную структуру композита

а) тонкодисперсное б) сетка из новообразо- в) новообразования и контакты вещество глинистых пород ванного вещества составных частей грунтобетона Рис. 9. Последовательность образующихся структур при укреплении глинистых Фунтов известьсодержащим компонентом и цементом (РЭМ)

Выявлен характер влияния минерального состава и типоморфных особенностей глинистого сырья на процессы структурообразования матрицы при синтезе цементогрунтобетонов. При введении в грунто-известковую массу цемента происходит разрыв сплошности новообразованных каркасов, за счет чего возникают дефекты поверхности - некомпенсированные заряды, т.е. наиболее активные участки всей грунто-известковой системы. В результате взаимодействия между компонентами увлажненной грунтобетонной смеси в период ее твердения возникают новообразования кристаллического характера, образующие разветвленный, жесткий водоустойчивый каркас (рис. 9, в), наличие которого меняет первоначальную структуру грунто-известкового композита

Установлено, что наиболее перспективными для этих целей являются фазы, характеризующиеся незавершенной стадией минералообразования, к которым относятся: рентгеноаморфные вещества, смешанослойные образования и суглинки эолово-элювиально-делювиального генезиса четвертичного периода, а также опоковидные глины умеренных глубин региона КМА.

Реализация осуществлена при проектировании составов (рис. 10, а) и технологий укрепления земляного полотна автомобильных дорог и проектировании грунтобетона (рис. 10, б) для строительства оснований дорожных одежд.

а) б)

Рис. 10. Предел прочности при сжатии грунтобетона в зависимости от типа вяжущего и времени твердения на основе глинистых пород с числом пластичности 22

Укрепление глинистых пород КМА известьсодержащими отходами позволяет повысить предел прочности при сжатии земляного полотна автомобильной дороги в 2-3 раза. Причем характер и интенсивность влияния определяется составом глинистых минералов. Чем больше в глинистой породе кальциевого монтмориллонита и гидрослюдистых минералов, тем меньше предел прочности при сжатии цементогрунтобетона и тем больше известковых отходов необходимо ввести для снижения сорбционной емкости глин и повышения качества дорожных одежд.

При этом предел прочности при сжатии грунтобетонов достигает требуемых значений при введении 8-10 % цемента. Данные составы позволяют получить на глинистых грунтах с пластичностью от 9 до 22 грунтобетон с прочностью 5-7 МПа с учетом технологического коэффициента.

Ввиду широкого распространения на территории региона КМА глинистык пород, представляется возможным подготовка грунтобетонной смеси в стационарных условиях в осеннее-зимний период, для чего разработана технологическая схема установки по ее производству.

Для строительства автомобильной дороги III категории разработана технологическая карта устройства конструкции дорожной одежды с укреплением земляного полотна и применения для строительства основания грунтобетона толщиной 40 см из смеси с содержанием 10 % цемента и 5 % известьсодержа-щего вяжущего.

Установлена фрактальность некоторый геологических процессов и отдельных видов технологий производства строительных материалов, которая положена в основу разработки рекомендаций по поиску и разведке месторождений нетрадиционного сырья строительных материалов и технологий их производства. Полученные нами результаты теоретических исследований позволили обнаружить в бассейне КМА месторождение ценного, нетрадиционного для строй-индустрии сырья - выветрелых кварцевых порфиров.

Сформулированы принципы повышения эффективности производства керамических материалов за счет использования нетрадиционного алюмосили-катного сырья зоны гипергенеза. Критерием эффективности глиноземистого сырья выветрелых пород являются несовершенства кристаллической структуры глинистык минералов. Наличие подобного сы1рья будет способствовать расширению номенклатуры производства в ЦЧЭР России белого и цветного цементов, эффективного лицевого кирпича.

Разработана технология обогащения этих пород, которая позволяет получить глиноземистый концентрат и крупнозернистый песок (табл. 2). Предварительными исследованиями установлена возможность получения на основе глиноземистого компонента керамических материалов с плотным черепком и других ценных материалов. Наличие крупнозернистого песка позволит получать высокопрочные бетоны и растворы.

На основании данных исследований предложен новый состав шихты для вытуска керамического кирпича (табл. 3). Показано, что введение до 50 % не-спекающегося глиноземистого концентрата позволяет уменьшить усадочные явления, увеличить пористость и снизить плотность керамических изделий. Ис-

пользование спекающегося концентрата для получения керамической плитки для пола позволяет снизить водопоглощение в 1,2 -1,4 раза.

Таблица 2

Химический состав концентрата, полученного из коры выветривания

кварцевых порфиров

Вид концентрата Содержание окислов, %

БЮ, АЬО, тю2 РеА ИеО МпО М£0 СаО Ыа,0 К,0 РА п п п Сумма

Неспе-кающийся 50,26 33,73 0,91 2,01 2,38 сл 1,17 0,30 0,16 0,96 0,03 7,92 99,83

Спекающийся 40,26 31,08 0,87 2,31 7,38 0,09 1,06 0,39 0,24 6,97 0,21 9,32 100,18

Таблица 3

Физико механические свойства образцов керамики на основе Городищенской глины и неспекающегося концентрата коры выветривания кварцевых порфиров

Т,°С Количество добавки неспекающегося концентрата, %

Свойства 0 25 50 75

600 12,2 15,5 18,9 22,4

Водопоглощение, 800 14,2 15,7 19,3 22,6

% 1000 7,6 9,3 13,3 14,8

1050 4,4 7,3 12,6 14,1

600 1990 1920 1790 1670

Плотность, кг/м2 800 1000 1940 2050 1890 1980 1750 1840 1640 1760

1050 2230 2090 1870 1830

600 9,4 7,7 4,7 0,3

Усадка (полная), % 800 1000 9,1 9,5 6,6 7,9 4,6 6,2 1,1 2,6

1050 12,2 9,4 3,8 1,9

600 24,2 29,6 33,8 37,5

Пористость, % 800 1000 27,6 15,4 29,6 18,4 33.8 22.9 37,2 26,0

1050 9,7 15,1 23,55 25,5

600 1,3 0,9 0,7 0,2

Предел прочности при сжатии, МПа 800 1000 1Л 37,8 1,0 37,3 1,1 36,6 0,4 21,5

1050 42,6 49,5 43,5 29,6

Таким образом, дан прогноз о перспективности поиска и обнаружено месторождение нетрадиционного керамического сырья на площадях распространения кварцевых порфиров в зоне гипергенеза.

Проведенные исследования позволили установить характер полиморфных переходов кристаллического кремнезема различных генетических типов в про-

цессе подъема температуры методом высокотемпературного рентгенофазового анализа (ВТРФА), в том числе в присутствие щелочесодержащих добавок.

Доказано отсутствие образования высокотемпературной фазы а-тридимита (рис. 11), установлено начало формирования а-кристобалита при ИЗО °С, устойчивое существование фазы а-кварца до температуры 1470 °С. Впервые установлены температурные границы интервалов существования моно- и смешанных фаз. Монотропное существование Р-Кварца возможно до 290 °С, а-кварца с 573 до 1130 °С, а-кристобалита - выше 1470 °С. В температурном интервале 290-573 °С одновременно присутствуют р- и а-модификации кварца, а в интервале 1130-1470 °С -а-кварца и а-кристобалита.

Выявлен характер минерализующего воздействия ионов щелочных металлов на снижение температуры и сглаживание скачкообразных эффектов полиморфных переходов кристаллического кремнезема (рис. 12). В зависимости от количества щелочесодержащей добавки температура фазового перехода может

понизиться на 70 °С, а температурный интервал расшириться до 150 °С. Начало формирования а-кристобалита возможно уже при 1000 ° С с полным его завершением при 1270 °С.

Установлено влияния полиморфизма кварца на линейную деформацию образцов, в процессе нагрева и охлаждения, которые подтвердили данные ВТРФА и ДТА о том, что в присутствие добавок 5 % железосодержащей добавки и особенно 2 % щелочи, импульс скачка перехода Р<-»а кварца существенно уменьшается по абсолютной величине и растягивается по температуре.

Аналогичные прецизионные исследования в температурном интервале 20 -1100 °С проведены для тройной системы «кварц - кальцит- щелочь». Последо-

—I—I—I—I—I —I—I—I I—Г—I—I—I I——I I—

О 500 1000 1500 2000 "С

Рис. 11. Диаграммы полиморфных переходов ЗОг по данным К. Н. Феннера (1), В.П. Прянишникова (2) и ВТРФА (3)

68 ш

А+

аноцш4анфисюб|лп+ рвсплв!

а-шрц+а-ОДф+распла Е

а-оярц+ N^SiQ+ расплав

a-mpu+NaSiCI,

500*С >

440"С)

|}чаф14а-юрц+ Na,0

Q№Xj

ft«Bapu»a.«pi+NaOH + Na,Ol[

'300'С 1

(кмри+а-иврц«аОН

' 200Г >

frapi+NjOH

80 *С,

38 40 42 44 46° | ^mpu-tNaOH tN«0H4<)3 ]

Рис. 12. Последовательность фазообразования в системе система «SiC>2-NaOH» (90-10 мас.%): 1 - р-кварц; 2 - NaOH Н20; 3 - NaOH; 4 - Na202; 5 - Na20; 6 -Na2Si03; 7 - a-Na2Si2Os; 8 - а-кварц; 9 - а-кристобалит

По результатам исследований прямым методом ВТРФА системы «кварц -пыль ЭСПЦ - щелочь» предложен следующий механизм новообразований в процессе нагрева:

а 1 и а Л сл V и. 9 1 + О

сг 1 + о" £ % Ъ х Гя 2 - щ 1 1 ¿9 1 4 ? о; £ 3 1 и. + я * ¡л 6 + О' и. + я 1 6 А о" £ ? о! £ 4 1 * А Ч^оЬ 1 * V ♦ И * 2 1§ А * 8Г уу а: СГ с О и

О о

Предложен механизм влияния тонкодисперсных добавок магнетитсодер-жащих отходов ОЭМКа и кварцевого компонента на оптимизацию структуры обжигового композита в процессе спекания, заключающийся в образовании низкотемпературного расплава, обеспечивающего высокую плотность и, следовательно, повышенную прочность и морозостойкость. Введение в сырьевую шихту тонкомолотого кварцевого песка с удельной поверхностью 150-200 м2/кг (рис. 13) и железосодержащей добавки (рис. 14) позволяет без увеличения температуры обработки улучшить физико-механические показатели обжиговых изделий.

Температура, °С Температура, °С

Рис. 13. Зависимость предела прочности при сжатии и водопоглощения низкообжиговых образцов с добавкой из тонкомолотого кварцевого песка от температуры синтеза в присутствии 2 % КОН: 1 - без добавки; 2-10 % добавки; 3 - 20 %; 4 - 30 %

60 -1-1-1-- 20

I ! I Хл^/^ )

ю -1-1-1-1 Ш--1-

850 900 950 1000 1050 » И и ш га

______т Твшарвту^-С

Температура "С

Рис. 14. Зависимость предела прочности при сжатии и водопоглощения низкообжиговых образцов с добавкой с железосодержащей добавкой от температуры синтеза в присутствии 2 % КОН: 1- без добавки; 2 - 5 % добавки; 3 - 10 %; 4 -15 %; 5 - 20 %

Полученные данные стали теоретической основой для разработки технологии производства низкообжиговых композитов широкой цветовой гаммы на основе доступного кварцевого сырья и отходов промышленности. Основные характеристики позволяют рекомендовать их для использования в качестве тротуарной плитки. Разработанная технология может быть внедрена предприятиями по получению керамического кирпича Составы и технология производства обжиговых композитов защищены патентом РФ.

Таким образом, комплекс теоретических исследований позволил сформулировать явление наследованности степени совершенства структур в системе "генезис сырья - производство строительных материалов". Предложены принципы рационального использования сырья в зависимости от степени совершенства кристаллической структуры породообразующих минералов, что позволило прогнозировать регионы поиска новых месторождений ценного нетрадиционного для стройиндустрии сырья. Реализация этого подхода позволила открыть новое месторождение ценного сырья промышленности строительных материалов.

Результаты проведенных исследований позволили апробировать и внедрить в производство технологии: известково-кремнеземистого вяжущего с использованием выветрелых кварцитопесчаников; силикатных автоклавных мате-

риалов на основе отсева дробления кварцитопесчаников; грунтобетонов на основе глинистых пород региона КМА и известьсодержащих отходов; низкообжиговой тротуарной плитки на основе широкодоступного кварцевого сырья различных генетических типов. Существенно расширена сырьевая база производства СМ и разработан ряд технологий производства обжиговых, автоклавных и материалов естественного твердения, позволившие повысить эффективность производства стеновых и дорожно-строительных материалов.

Основные выводы

1. Разработаны методологические основы повышения эффективности производства строительных материалов и расширения сырьевой базы стройинду-стрии с учетом типоморфных признаков сырья, заключающиеся в том, что процессы структурообразования неорганических строительных материалов предопределяются не столько химическим составом исходных компонентов, сколько типоморфными признаками сырья (морфологическими особенностями выделений минералов (габитус кристаллов, двойники, характер агрегатов, характер поверхности зерен и др.); вариациями химического состава минерала и содержанием в нем изоморфных элементов примесей; структурными особенностями (степень упорядоченности структур минералов, виды и количество дефектов, различие в структурах политипов, полиморфизм, изоморфизм и т.д.)). Это позволяет прогнозировать характер структурообразования в системе «сырье -строительный материал» и контролировать процессы самоорганизации при синтезе сложных техногенных систем, которыми являются искусственные композиты. Разработаны принципы проектирования эффективных строительных материалов с учетом типоморфных характеристик сырья.

2. Установлено явление наследования степени совершенства кристаллических структур сырьевых минералов новообразованными при синтезе искусственных композитов, заключающееся в том, что при одинаковых условиях синтеза, направленных на создание вещества с высокими технологическими показателями, но с минимумом энергозатрат синтезировать высокозакристаллизо-ванное новообразование с более высоким видом симметрии можно лишь в результате использования в качестве сырьевых компонентов вещества также максимально симметричные, и с минимальным содержанием несовершенств кри-

сталлической структуры. И, напротив, при синтезе композита с дефектными новообразованиями - необходимо использовать сырье незавершенной стадии минералообразования. Это позволит получать сырьевые смеси с качественно новым энергетическим состоянием, что создаст объективные условия для внедрения нанотехнологий в строительное материаловедение.

3. Установлен характер влияния степени кристалличности кварца на энергоемкость производства строительных материалов. Различие обусловлено изменением концентрации и типов дефектов кристаллической структуры минералов. Это подтверждает утверждение о том, что реальные кристаллы одних и тех же минералов сырья промышленности строительных материалов, имеющие различное происхождение и, даже, принадлежащие одному и тому же генетическому типу, т.е. обладающие схожими типоморфными признаками, занимают различные позиции на воображаемой прямой перехода от идеально кристаллического до аморфного состояния и, следовательно, обеспечивают изменение энергетических затрат при синтезе материалов на их основе.

4. Установлена фрактальность некоторых геологических процессов и отдельных видов технологий производства строительных материалов, которая положена в основу разработки рекомендаций по поиску и разведке месторождений нетрадиционного сырья строительных материалов и технологий их производства, критерием которых является несовершенство кристаллической структуры породообразующих минералов.

5. Установлен характер влияния степени несовершенства кварца на его реакционную способность и фазовый состав синтезируемых гидросиликатов кальция в системе заключающийся в том, что при использовании кварца с высокой степенью кристалличности, т.е. с минимальным содержание дефектов структуры, при прочих равных условиях образуются высокоосновные фазы, и, напротив, при высокой степени несовершенства структуры формируются низкоосновные гидросиликаты кальция. Но при синтезе новообразований с использованием аморфного кремнезема, т.е. наиболее несовершенного, вопреки данной закономерности образуются высокоосновные гидросиликаты кальция. Это объясняется высокой растворимостью данного типа кремнезема и выпадением из пересыщенного раствора опала, что и приводит к синтезу высокоосновных новообразований. Установленная закономерность позволяет

получать силикатные автоклавные материалы с использованием аморфных разновидностей кремнезема.

6. Сформулированы принципы выбора сырья, формирования эффективных грунтобетонов и их рационального использования в дорожном строительстве в зависимости от минерального состава и типоморфных характеристик сырья: степени совершенства кристаллических структур породообразующих минералов и величины сорбционного поглощения глинистых пород КМА; позволяющие прогнозировать наиболее рациональную технологию производства грунтобетонов.

7. Установлен механизм структурообразования и набора прочности грунто-известкового композита на основе глинистых пород КМА, заключающийся в химическом взаимодействии полиминерального вещества глинистых пород с известьсодержащими отходами и синтезе гелеобразных новообразований на гранях кристаллов глинистых минералов с дефектами кристаллической структуры, что приводит к переходу конденсационной структуры смеси в конденса-ционно-кристаллизационную структуру композита Это было реализовано при проектировании составов и технологий укрепления земляного полотна автомобильных дорог.

8. Выявлен характер влияния минерального состава и типоморфных особенностей глинистого сырья на процессы структурообразования матрицы при синтезе цементогрунтобетонов. Установлено, что наиболее перспективными для этих целей являются фазы, характеризующиеся незавершенной стадией ми-нералообразования, к которым относятся: смешанослойные образования и суглинки эолово-элювиально-делювиального генезиса четвертичного периода, а также опоковидные глины умеренных глубин региона КМА. Реализация осуществлена при проектировании грунтобетона для строительства оснований дорожных одежд.

9. Модернизировано оригинальное оборудование и разработан ряд методик для высокотемпературного рентгенофазового анализа, позволяющие выполнять исследования до 1500 °С с более высокой скоростью и разрешающей способностью записи спектров изменения фазового состава при помощи пакета программ РЕЬБов на ЭВМ, получение кинетики фазообразований вплоть до полного расплава при непрерывном изменении процессов во времени и температу-

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА ¿.Петербург < 09 100 *вт !

ре, а так же автоматизировать последующую обработку и распечатку серий полученных дифрактограмм.

10. Установлен характер полиморфных переходов кристаллического кремнезема различным генетических типов в процессе подъема температуры методом ВТРФА, в том числе в присутствие щелочесодержащих добавок. Доказано отсутствие образования высокотемпературной фазы а-тридимита, установлено начало формирования а-кристобалита при 1130 °С, устойчивое существование фазы а-кварца до температуры 1470 °С Впервые установлены температурные границы интервалов существования моно- и смешанных фаз. Монотропное существование Р-кварца возможно до 290 °С, а-кварца с 573 до ИЗО °С, а-кристобалита - выше 1470 °С. В температурном интервале 290-573 °С одновременно присутствуют кварца, а в интервале 1130-1470 °С - а-кварца и а-кристобалита.

11. Вышвлен характер минерализующего воздействия ионов щелочнык металлов на снижение температуры и сглаживание скачкообразных эффектов полиморфных переходов кристаллического кремнезема. В зависимости от количества щелочесодержащей добавки температура фазового перехода кварца может понизиться на 70 °С, а температурный интервал расшириться до 150 °С. Начало формирования а-кристобалита возможно уже при 1000 °С с полным его завершением при 1270 °С.

12. Предложен механизм влияния тонкодисперсных добавок магнетитсо-держащих отходов ОЭМКа и кварцевого компонента на оптимизацию структуры обжигового композита в процессе спекания, заключающийся в образовании низкотемпературного расплава, обеспечивающего высокую плотность и, следовательно, повышенную прочность и морозостойкость, и получении объемно окрашенного материала однородного минералогического состава от светло-сиреневого до черного цвета.

13. Предложена рациональная область применения ранее не востребованных вмещающих пород КМА - вышетрелых кварцитопесчаников. Разработаны рекомендации по их использованию в качестве сырьевых компонентов при производстве силикатных автоклавных материалов. Разработана технология производства известково-кремнеземистого вяжущего на основе выветрелых кварцитопесчаников. Предложены составы для производства плотный авто-

клавных силикатных материалов на основе отсева дробления кварцитопесчани-ков КМА фракции 0-2 мм.

14. Сформулированы принципы повышения эффективности производства керамических материалов за счет использования нетрадиционного алюмосили-катного сырья зоны гипергенеза. Критерием эффективности глиноземистого сырья вы ветрел ых пород являются несовершенства кристаллической структуры глинистых минералов. Разработана технология обогащения продуктов коры выветривания кварцевых порфиров, позволяющая получить глиноземистый концентрат и крупнозернистый песок. Предложена технология производства лицевого керамического кирпича и плитки для пола с использованием глиноземистого концентрата из коры выветривания кварцевых порфиров. Наличие подобного сырья будет способствовать расширению номенклатуры производства в ЦЧЭР России белого и цветного цементов, муллитовых огнеупоров, эффективного лицевого кирпича

15. Разработана классификация фунтов КМА. Определены генетические типы грунтов, наиболее пригодных для укрепления неорганическими вяжущими. Предложены оптимальные составы для укрепления земляного полотна и устройства оснований автомобильных дорог на основе глинистого сырья различных генетических типов. Разработана технология производства грунтобетона и сухих дорожно-строительных смесей. Предложенные принципы использования типоморфных характеристик сырья и апробация их в лабораторных и промышленных условиях при разработке грунтобетонов и устройстве оснований позволила сформулировать гипотезу о возможности использования смешанных отвалов осадочных пород железорудных ГОКов России для производства дорожно-строительных материалов. Использование этих техногенных месторождений, в которых скопилось около 5 млрд. т. нетрадиционного и не используемого в мировой практике сырья, позволит получить значительный экономический эффект и существенно снизить экологический прессинг.

16. Научно обоснована и экспериментально установлена возможность получения обжиговых строительных материалов из кварцевых пород, содержащих в своем составе до 98 % 5Юг. Разработаны составы для получения низкообжиговой тротуарной плитки на основе кварцевых песков с добавкой щелочи, пыли электросталеплавильного цеха ОЭМК и мела при температуре обжига от 850

°С. Себестоимость низкообжиговых тротуарных плиток почти в два раза ниже, чем на основе цементно-песчаных смесей. Технология защищена патентом РФ.

Внедрение результатов диссертационной работы позволило получить экономический, экологический и социальный эффект.

Основные публикации по теме диссертации

1. Строкова В.В. Генетические аспекты формирования структуры строительных материалов автоклавного твердения (Володченко А.Н.) // Современные проблемы строительного материаловедения. Вторые академические чтения РААСН. - Казань, 1996. - Ч. 1. - С. 23-25.

2. Строкова В.В. Метаморфогенные породы - энергосберегающее сырье стройиндустрии (Воронцов В.М.) // Сборник статей. - Белгород, 1997. — С. 21— 25.

3. Строкова В.В. Влияние генезиса кварца на энергоемкость производства строительных материалов щдратационного твердения // Материалы XXIX на-уч.-техн. конф. -Пенза, 1997. - С. 120

4. Строкова В.В. Описание строительных материалов гидратационного твердения // Резервы производства строительных материалов. Тез. докл. Межд. науч.-техн.конф. - Барнаул, 1997 - Ч. 1. - С. 141-142.

5. Строкова В.В. Критерии оценки энергетики кварцевого сырья // Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений. Сб. докл. Межд. конф. - Белгород: Изд. Бел-ГТАСМ, 1997. - Ч. 5. - С. 245-248.

6. Строкова В.В. Использование отходов КМА для оптимизации структуры материалов автоклавного твердения // Вопросы осушения и экология. Специальные горные работы и геомеханика. Материалы четвертого международного симпозиума "Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях". - Белгород: Изд-во ВИОГЕМ. 1997. - С. 386-389.

7. Строкова В.В. Оптимизация микроструктуры силикатных материалов автоклавного твердения (Володченко А.Н., Лесовик B.C.) // Современные проблемы строительного материаловедения. Четвертые академические чтения РААСН. Материалы международной научно-технической конференции. - Пенза, 1998. - Ч. II.-С. 51-52.

8. Строкова В.В. Природные ресурсы КМА для выпуска высокопустотных объемно окрашенных силикатных материалов (Володченко А.Н., Голиков Г.Г., Клименко В.Г., Воронцов В.М.) // Химия и химическая технология в освоении природных ресурсов Кольского полуострова. Материалы научной конференции Кольского филиала РАН. - Апатиты, 1998. - С. 122.

9. Строкова В.В. Комплексное использование коры выветривания кварцевых порфиров КМА (Лесовик Р.В.) // XVII Региональная научно-техническая конференция./Изд-воКрасГАСА,-Красноярск, 1999.-С. 128-129.

10. Строкова В.В. Снижение энергоемкости производства строительных материалов за счет рационального использования осадочных пород (Лесовик B.C., Гридчин A.M.) // Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы пятых академических чтений РААСН / Воронеж, гос. арх.-строит. акад. - Воронеж, 1999. - С. 245-253.

11. Строкова В.В. Перспективные малоэнергоемкие матричные субстанции на основе нетрадиционного кремнеземсодержащего сырья (Лесовик B.C., Немец И.И., Щеглов А.Ф.) // Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы пятых академических чтений РААСН / Воронеж, гос. арх.-строит. акад. - Воронеж, 1999. - С. 253-256.

12. Строкова В.В. Влияние дефектов кристаллической решетки кварца на прочностные показатели силикатных автоклавных материалов (Лесовик Р.В.) // Эффективные конструкции и материалы зданий и сооружений: Межвуз. сб. тр. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1999. - С. 68-72.

13. Строкова В.В. Эволюция критериев оценки сырья промышленности строительных материалов // Современные проблемы строительного материаловедения: VI Академические чтения/ Ивановская гос. арх.-строит. акад. - Иваново, 2000. - С. 511-514.

14. Строкова В.В. К проблеме проектирования строительных материалов // Проблемы строительного материаловедения и новые технологии: Сб. докл. Международной науч.-практ. конф. "Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века", (XV научные чтения БелГТАСМ). - Белгород: Изд-во Бел-ГТАСМ, 2000. - Ч. 2. - С. 389-393.

15. Строкова В.В. Цементогрунты с использованием осадочных пород КМА (Лесовик B.C., Гридчин A.M., Щеглов А.Ф.) // Технология, оборудование и

сырьевая база горных подотраслей промышленности строительных материалов. Сб. докл. IX Межд. конф. - М., 2000. - С. 78-81.

16. Строкова В.В. Перспективы использования кварцевых песков для получения обжиговых строительных материалов (Шамшуров В.И., Шамшуров А.В.) // Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций. Материалы II Межд. науч.-техн. конф. / ВолгГАСА - Волгоград, 2000. - Ч. 2. - С. 63-65.

17. Строкова В.В. Минералогия и петрография сырья для производства строительных материалов и технической керамики (Гончаров Ю.И., Лесовик B.C., Гончарова М.Ю.) // Учеб. пособие. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2001. -181с.

18. Строкова В.В. Четвертичные глинистые породы КМА как сырье для производства цементогрунтов (Лесовик B.C., Щеглов А.Ф.) // Материалы шестого международного симпозиума "Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях". / Вопросы осушения и экология. Специальные горные работы и геомеханика. -Белгород: Изд-во ВИОГЕМ. 2001. - Ч. II. - С. 540-545.

19. Строкова В.В. Особенности кинетики полиморфизма кварца по данным высокотемпературной рентгенографии (Шамшуров В.М., Шамшуров А.В.) // Кристаллогенезис и минералогия. Сб. материалов Межд. конф. - С.-Петербург, 2001. -С. 344-345.

20. Строкова В.В. Обжиговая технология производства тротуарной плитки (Гридчин A.M., Шамшуров А.В.) // Вестник БелГТАСМ. Научно-теоретический журнал. - Белгород, 2001. - № 1. - С. 33-35.

21. Строкова В.В. Лабораторный практикум по строительным материалам (Гридчин A.M., Лесовик B.C., Погорелов СА, Володченко А.Н., Авершина Н.М.) // Учеб. пособие. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2001. - 225 с.

22. Строкова В.В. Роль известьсодержащего компонента в процессах формирования микроструктуры грунтобетона (Гридчин A.M., Щеглов А.Ф.) // Строительные материалы / Ежемесячный научно-технический и производственный журнал. - М., 2002. - № 8. - С. 24-25.

23. Strokova V.V. Low water demand binders in road building (Gridchin A.M., Lesovik R.V.) Challenges of concrete construction. University of Dundee. International congress. Scotland. - 2002. - P. 172-176.

24. Строкова В.В. Формирование микроструктуры грунтобетона, укрепленного известьсодержащим вяжущим (Потапенко ЕА, Щеглов А.Ф.) // Новые технологии, конструкции и матералы в строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог: Материалы всероссийской научно-технической конференции. - Краснодар: Изд-во Технического университета КубГТУ, 2002. - С. 112-114.

25. Строкова В.В. Цементно-магнетитовые композиты для консервации радиоактивных отходов АЭС (Павленко В.И., Соколова B.C., Басманов Г.В.) // Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2002. -154 с.

26. Строкова В.В. Теоретические основы использования энергосберегающего сырья в стройиндустрии // Проблемы и перспективы архитектуры и строительства. Доклады международной научно-технической конф. - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2003.-С. 37-41.

27. Строкова В.В. Кристаллохимический подход к проблеме выбора сырья // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. Спецвыпуск: Матер, междунар. конгресса / Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2003. - № 5. - Ч. I. - С. 376-378.

28. Строкова В.В. Определение рентгенодифрактометрическим методом степени кристалличности кварца (Шамшуров А.В.) Рентгенография и кристаллохимия минералов: Материалы XV Межд. совещания. - С.-Петербург: Изд-во СПбГУ, 2003. - С. 211-212.

29. Строкова В.В. Перспектива получения обжиговых кварцсодержащих строительных материалов (Шамшуров А.В.) // Сб. докладов Международной научно-практической конференции "Проблемы науки, образования и устойчивого развития общества в начале XXI века". - Чимкент. - 2003. - С. 81-84.

30. Строкова В.В. Некоторые аспекты производства строительных композитов с позиций анизотропии сырья (Гридчин A.M.) // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века / Ежемесячный информационный научно-технический журнал. - М., 2003. - № 11. - С. 37-39.

31. Строкова В.В. К вопросу утилизации техногенных отходов железорудных месторождений КМА (Карацупа СВ.) // Труды Международного форума по проблемам науки, техники и образования. Т. 2. / Под редакцией: В.П. Савиных, В.В. Вишневского. - М.: Академия наук о Земле, 2003. - С. 48-49.

32. Строкова В.В. Сырьевая смесь для получения обжиговых дорожно-строительных материалов на основе кварцевых песков и способ их изготовле-

ния (Гридчин А.М., Лесовик B.C., Шамшуров А.В.) // Пат. 2205810 РФ, МПК7 С04В35/14, 35/16. Белгор. гос. технол. акад. строит, материалов; № 2001122771/03(024176); Заявлено 13.08.01; Опубл. 10.06.03; Бюл. № 16. - Ч. Н. - С. 432.

33. Строкова В.В. Конвейерный сепаратор (Гридчин А.М., Покушалов М.П., Лесовик Р.В.) // Пат. № 2215587, РФ МПК' С27В03С1/18.; Белгор. гос. технол. акад. строит, материалов; № 2002126866. Заявлено 07.10.02; Опубл. 10.11.2003; Бюл. №31.-4.3. -С. 415.

34. Строкова В.В. Грунтобетоны на основе глинистых пород КМА для дорожного строительства (Щеглов А.Ф.) // Монография. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2003. -152 с.

35. Строкова В.В. Кинетика спекания низкоцементного корундового бетона, модифицированного эвтектоидной фазой (Немец И.И., Зубащенко Р.В.) // Новые огнеупоры, - М., - 2004. - № 3. - С. 44-46.

36. Строкова В.В. К проблеме оценки качества техногенного сырья промышленности строительных материалов // Горный журнал, - М., 2004. - № 1. -С.78-79.

37. Строкова В.В. Состояние и перспективы использования сырьевой базы КМА в стройиндустрии (Гридчин A.M., Лесовик Р.В.) // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века / Ежемесячный информационный научно-технический журнал. - М., 2004. -№ 3. - С. 22-24.

38. Строкова В.В. Дорожно-строительные материалы на основе кварцевого сырья (Шамшуров А.В.) // Известия вузов. Строительство. - Новосибирск: Изд-во НГАСА, 2004 г. - № 3. - С. 78-81.

39. Строкова В.В. Новые технологии производства строительных материалов на основе нетрадиционного сырья КМА // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века / Ежемесячный информационный научно-технический журнал. - М., 2004. - № 5. - С. 60-61.

40. Строкова В.В. Современное состояние и экологические проблемы освоения сырьевой базы стройиндустрии региона КМА // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. Спецвыпуск: Матер. II Междунар. научн.-практ. конф. «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье». - Белгород: Изд-во БГТУ, 2004. - № 8. - Ч. VI. - С. 290-294.

41. Строкова В.В. Новая тротуарная плитка на основе кварцевых пород (Шамшуров А.В.) // Автомобильные дороги / Ежемесячный производственно-

массовый журнал.-М.,2004.-№.-С. 18-19.

42. Строкова В.В. Разработка укатышаемого бетонов на основе техногенного сы1рья для дорожного строительства (Лесовик Р.В., Ворсина М.С.) / Строительные материалы. - М., 2004. - № 9. - С. 8-9.

43. Строкова В.В. Кинетика полиморфизма кварца по данным высокотемпературной рентгенографии (Шамшуров А.В.) // Кварц. Кремнезем: Матер. Междунар. семинара РАН. - Сыжтышкар: Геопринт, 2004. - С. 44-45.

44. Строкова В.В. Типоморфные признаки кварца, как критерий оценки энергосберегающего сырья // Кварц. Кремнезем: Матер. Междунар. семинара РАН. - Сыжтышкар: Геопринт, 2004. - С. 204-205.

45. Строкова В.В. Особенности структурообразования в системе "глинистые породы - известьсодержащие отходы - цемент" (Щеглов А.Ф., Карацупа СВ.) // Строительные материалы. - М., 2004. - № 3. - С. 16-17.

46. Строкова В.В. Управление процессами синтеза строительных материалов с учетом типоморфизма сырья / Строительные материалы. Приложение «Наука», № 4. - М., 2004. - № 9. - С. 2-5.

СТРОКОВА Валерия Валерьевна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ С УЧЕТОМ ТИПОМОРФИЗМА СЫРЬЯ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Подписано в печать 26.10.2004 Формат60х84 1/16

Объем 2,6 уч.-изд. л. ^ Л» '■} ¿.'¡(42 Тираж 100 экз.

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова.

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

1721

РНБ Русский фонд

2005-4 21283

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Современное состояние и проблемы минерально-сырьевой базы стройиндустрии.

1.2. эволюция критериев выбора сырья промышленности строительных материалов.

1.3. Современные представления о типоморфизме и его влияние на свойства сырья.

1.3.1. Связь и влияние строения вещества на его свойства.

1.3.2. Типоморфные особенности породообразующих минералов

1.4. Свойства строительных материалов в зависимости от типоморфных признаков сырья.

1.4.1. Свойства грунтобетона в зависимости от минерального состава и строения глинистых пород.

1.4.2. Система «Са0-8Ю2-Н20» и свойства новообразований.

1.4.3. Свойства низкообжиговых материалов в зависимости от полиморфизма кварца.

1.5. Выводы.

2. ПРИНЦИПЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ С УЧЕТОМ ТИПОМОРФИЗМА СЫРЬЯ.

2.1. Теоретические основы выбора сырья стройиндустрии с учетом типоморфизма.

2.1.1. К эффективности использования типоморфных признаков при выборе сырья.

2.1.2. Эволюция уровней организации вещества при производстве строительных материалов.

2.1.3. Явление наследования степени совершенства структур сырьевых компонентов синтезируемыми.

2.2. Управление процессами структурообразования при производстве силикатных материалов автоклавного твердения с учетом типоморфизма кварца.

2.2.1. Типоморфные особенности кварца различных месторождений

2.2.2. Фазовый состав и морфология новообразований в системе «СаО-БЮг-НгО» в зависимости от степени совершенства кварца.

2.3. Расширение сырьевой базы производства грунтобетонов путем применения глинистых пород незавершенной стадии минералообразования.

2.3.1. Свойства дорожно-строительных материалов в зависимости от типоморфных особенностей глинистых пород региона КМА

2.3.2. Фрактальность структур в системе «глинистые породы КМА -грунтобетон».

2.4. Снижение энергоемкости производства керамических материалов с учетом типоморфных признаков сырья зоны гипергенеза.

2.4.1. Влияние гипергенных факторов на особенности минералообразования сырья керамических материалов.

2.4.2. Теоретические предпосылки наличия месторождений нетрадиционного сырья керамических материалов на КМА.

2.5. Повышение эффективности производства низкообжиговых материалов с учетом полиморфизма кремнезема.

2.5.1. Исследование полиморфизма кристаллического кремнезема с использованием высокотемпературного рентгенофазового анализа.

2.5.2. Фазообразование и линейная деформация обжиговых материалов в зависимости от полиморфизма кремнезема и влияния щелочесодержащих добавок.

2.6. Выводы.

3. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО ТВЕРДЕНИЯ С УЧЕТОМ ТИПОМОРФИЗМА СЫРЬЯ.

3.1. Изучение материалов плотной структуры на основе кварцевого сырья КМА.

3.1.1. Разработка материалов плотной структуры на основе отсева дробления кварцитопесчаников.

3.1.2. Влияние формы заполнителя на предел прочности при сжатии и изгибе.

3.1.3. Исследование возможности использования попутно добываемых выветрелых кварцитопесчаников.

3.1.4. Оптимизация структурно-текстурных характеристик за счет введения тонкомолотой добавки.

3.2. Предложения по оптимизации структуры строительных материалов гидратационного твердения.

3.3. Выводы.

4. ГРУНТОБЕТОНЫ ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА НА

ПРИМЕРЕ СЫРЬЯ КМА.

4.1. Глинистые грунты региона КМА.

4.2. Укрепление земляного полотна.

4.3. Оптимизация составов грунтобетона для строительства дорожных одежд.

4.4. Технология получения дорожно-строительных смесей с применением глинистых грунтов КМА.

4.5. Выводы.

5. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ

АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ ПОРОД ЗОНЫ ГИПЕРГЕНЕЗА.

5.1. Особенности производства керамических материалов.

5.2. Сырьевая база керамических материалов КМА.

5.3. Вещественный состав и строение пород коры выветривания кварцевых порфиров.

5.4. Технология получения глиноземистого концентрата.

5.5. Повышение эффективности производства керамических материалов за счет использования коры выветривания кварцевых порфиров.

5.5.1. Изделия грубой керамики на основе глиноземистого концентрата выветрелых кварцевых порфиров.

5.5.2. Изделия со спекшимся черепком.

5.6. Выводы.

6. НИЗКООБЖИГОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВЫХ ПОРОД.

6.1. Влияние тонкодисперсной фракции кварца и железосодержащих отходов ОЭМКа на микроструктуру низкообжиговых материалов.

6.2. Свойства низкообжиговых изделий в зависимотси от состава и температуры синтеза.

6.3. Разработка технологии производства низкообжиговых изделий на основе кварцевых пород.

6.4. Выводы.

7. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

7.1. Особенности использования техногенного сырья при производстве строительных материалов.

7.2. К вопросу о структурно-текстурных характеристиках строительных материалов.

7.2.1. Структурно-текстурные характеристики горных пород.

Анализ структур, применяемых при описании строительных ф материалов.

7.2.3. Методика описания на примере строительных материалов гидратационного твердения.

7.3. Реализация результатов при производстве силикатных автоклавных материалов.

7.3.1. Получение плотных материалов гидротермального твердения на основе кварцевого сырья КМА.

7.3.2. Оценка экономической эффективности использования отсева дробления кварцитопесчаника.

7.3.3. Силикатные автоклавные материалы поризованной структуры на основе песков месторождений Сургута.

7.3.3.1. Влияние тонкодисперсной добавки.

7.3.3.2. Обоснование выбора технологии.

7.3.3.3. Разработка технологической схемы производства.

7.3.4. Обоснование предложения по дополнению ОСТ 21-1

7.4. внедрение грунтобетонов на основе глинистого сырья кма при строительстве автомобильных дорог.

7.4.1. Технология устройства оснований.

7.4.2. Технология строительства при использовании грунтобетонов на основе глинистого сырья региона КМА.

7.4.3. Оценка экономической эффективности использования грунтобетона на основе глинистого сырья региона КМА при устройстве оснований автомобильных дорог.

7.5. Апробация результатов работы при производстве низкообжиговой тротуарной плитки на основе кварцевого сырья.

7.5.1. Разработка технологической схемы производства низкообжиговой тротуарной плитки.

7.5.2. Оценка экономической эффективности производства тротуарной плитки на основе кварцевых пород.

7.6. Использование результатов работы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 29.10 и 29.06.

7.7. Выводы.

Актуальность. Важнейшей задачей современности является снижение энергоемкости производства продукции. Особенно это актуально для промышленности строительных материалов, где затраты энергии на единицу продукции в Российской Федерации значительно выше, чем в ведущих странах Европы, США и Японии. Повышение эффективности производства строительных материалов подразумевает, с одной стороны, поиски новых технологических решений, с другой - более глубокое и всестороннее изучение энергетики исходного сырья. В связи с ограниченностью природных ресурсов, труднодос-тупностью новых месторождений и низкой технологичностью минерального сырья все большую актуальность приобретают исследовательские работы, связанные с изучением влияния типоморфных признаков породообразующих минералов на энергоемкость производства строительных материалов. Каждое месторождение стройиндустрии характеризуется определенными типоморфными признаками слагающих его минералов, которые выступают в качестве индикаторов скрытого потенциала минеральных запасов как природного, так и техногенного сырья.

Недостаточное аппаратурное обеспечение и неполное использование информации минералого-геохимического характера не позволяли уделять должного внимания вопросу влияния типоморфных признаков сырья и, особенно, кристаллохимических особенностей породообразующих минералов на процессы синтеза новообразований в сложных системах искусственных конгломератов и структурно-текстурные характеристики строительных композитов.

Представляется необходимым разработка теоретических положений повышения эффективности производства строительных материалов и расширения сырьевой базы стройиндустрии с учетом типоморфных признаков сырья.

Работа выполнялась в рамках НТП Минобразования РФ «Методологические основы рационального использования техногенного сырья в промышленности строительных материалов» (шифр 03.01.055) и НТП «Кристаллохимиче-ские основы оптимизации процессов структурообразования в строительном материаловедении при использовании техногенного сырья» (шифр 207.03.01.078), раздела 03 «Проблемы рационального использования минеральных ресурсов»; ГРАНТа по фундаментальным исследованиям в области технических наук Министерства образования РФ «Кристаллохимические предпосылки создания эффективных обжиговых материалов в зависимости от

1 генезиса кварцевых пород», шифр Т. 02-12.2-1587; единого заказ-наряда на проведение научно-исследовательских работ, финансированного из средств федерального бюджета, утвержденного Министерством образования РФ на 1999-2003 гг.

Цель работы. Повышение эффективности производства строительных материалов и расширение сырьевой базы стройиндустрии с учетом типомор-физма породообразующих минералов и наследования степени совершенства кристаллических структур сырьевых минералов, новообразованными при синтезе искусственных композитов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка методологических основ повышения эффективности производства строительных материалов и расширения сырьевой базы стройиндустрии с учетом типоморфизма сырья и наследования степени совершенства кристаллических структур сырьевых минералов новообразованными;

- разработка энергосберегающих технологий получения стеновых и дорожно-строительных материалов.

Научная новизна. Разработаны методологические основы повышения эффективности производства строительных материалов и расширения сырьевой базы стройиндустрии с учетом типоморфных признаков сырья. Установлен характер влияния на процессы структурообразования неорганических строительных материалов типоморфных признаков сырья: габитуса кристаллов, характера агрегатов и поверхности зерен, содержания в минералах изоморфных элементов примесей, степени упорядоченности структур минералов, видов и количества дефектов, полиморфизма, изоморфизма и др. Это позволяет прогнозировать характер структурообразования в системе «сырье - строительный материал» и контролировать процессы самоорганизации при синтезе сложных техногенных систем, которыми являются искусственные композиты.

Установлено явление наследования степени совершенства кристаллических структур сырьевых минералов новообразованными при синтезе искусственных композитов, заключающееся в том, что при одинаковых условиях синтеза, направленных на создание вещества с высокими технологическими показателями, но с минимумом энергозатрат, синтезировать высокозакристал-лизованные новообразования с более высоким видом симметрии можно лишь в результате использования в качестве сырьевых компонентов вещества также максимально симметричные и с минимальным содержанием несовершенств кристаллической структуры. И, напротив, при синтезе композита с дефектными новообразованиями необходимо использовать сырье незавершенной стадии минералообразования. Это позволит получать сырьевые смеси с качественно новым энергетическим состоянием, что создаст объективные условия для внедрения нанотехнологий в строительное материаловедение.

Установлен характер влияния степени несовершенства кварца на его реакционную способность и фазовый состав синтезируемых гидросиликатов кальция в системе «Ca0-Si02-H20», заключающийся в том, что при использовании кварца с высокой степенью кристалличности, при прочих равных условиях, образуются высокоосновные фазы, и, напротив, при высокой степени несовершенства структуры формируются низкоосновные гидросиликаты кальция. В то же время, при синтезе новообразований с использованием аморфного кремнезема, вопреки данной закономерности, образуются высокоосновные гидросиликаты кальция. Это объясняется высокой растворимостью данного типа кремнезема и образованием из пересыщенного раствора опала, что и приводит к дефициту SÍO2 и синтезу высокоосновных новообразований.

Выявлен механизм влияния минерального состава и типоморфных особенностей глинистого сырья на процессы структурообразования матрицы при синтезе грунтоизвестковых композитов и цементогрунтобетонов. Установлено, что наиболее перспективными для этих целей являются фазы, характеризующиеся незавершенной стадией минералообразования, к которым относятся: рентгеноаморфное вещество, смешанослойные образования и суглинки эолово-элювиально-делювиального генезиса четвертичного периода, а также опоковидные глины умеренных глубин региона КМА. Реализация осуществлена при проектировании грунтобетона для строительства оснований дорожных одежд.

Уточнен характер полиморфных переходов кристаллического кремнезема различных генетических типов в процессе подъема температуры методом высокотемпературного рентгенофазового анализа, в том числе в присутствие ще-лочесодержащих добавок. Доказано отсутствие образования высокотемпературной фазы а-тридимита, установлено начало формирования а-кристобалита при 1130 °С, устойчивое существование фазы a-кварца до температуры 1470 °С. Впервые установлены температурные границы интервалов существования моно- и смешанных фаз. Монотропное существование Р-кварца возможно до 290 °С, a-кварца с 573 до 1130 °С, а-кристобалита - выше 1470 °С. В температурном интервале 290-573 °С одновременно присутствуют (3- и ос-модификации кварца, а в интервале 1130-1470 °С - а-кварца и а-кристобалита. Это позволило разработать технологии производства широкой номенклатуры строительных материалов.

Сформулированы принципы повышения эффективности производства керамических материалов за счет использования нетрадиционного алюмосили-катного сырья зоны гипергенеза, при этом критерием эффективности глиноземистого сырья выветрелых пород являются несовершенства кристаллической структуры глинистых минералов. Наличие подобного сырья будет способствовать расширению номенклатуры производства в ЦЧЭР России белого и цветного цементов, муллитовых огнеупоров, эффективного лицевого кирпича.

Практическое значение. Разработаны принципы проектирования эффективных строительных материалов с учетом типоморфных признаков сырья.

На основании выявленных закономерностей влияния типоморфных особенностей кварца на свойства строительных материалов автоклавного твердения предложены дополнения к ОСТ 21-1-80 "Песок для производства силикатных изделий автоклавного твердения".

Модернизировано оригинальное оборудование и разработан ряд методик для высокотемпературного рентгенофазового анализа, позволяющие выполнять исследования до 1500 °С с более высокой скоростью и разрешающей способностью записи спектров изменения фазового состава при помощи пакета программ РЕ1ЛЭоз на ЭВМ, изучать кинетику фазообразований вплоть до полного расплава при непрерывном изменении процессов во времени и температуре, а так же автоматизировать последующую обработку и распечатку серий полученных дифрактограмм.

Разработана классификация грунтов КМА. Определены генетические типы грунтов, наиболее пригодных для укрепления неорганическими вяжущими.

Предложены оптимальные составы для укрепления земляного полотна и устройства оснований автомобильных дорог на основе глинистого сырья различных генетических типов. Разработана технология производства грунтобетона и сухих дорожно-строительных смесей.

Разработана технология производства низкообжиговой тротуарной плитки широкой цветовой гаммы на основе кварцевого сырья и техногенных отходов КМА.

Практические результаты и научная новизна работы защищены патентами

РФ.

Внедрение результатов исследований. Результаты проведенных исследований позволили апробировать и внедрить в производство технологии: известково-кремнеземистого вяжущего с использованием выветрелых кварци-топесчаников; силикатных автоклавных материалов на основе отсева дробления кварцитопесчаников; грунтобетонов на основе глинистых пород региона КМА и известьсодержащих отходов; низкообжиговой тротуарной плитки на основе широкодоступного кварцевого сырья различных генетических типов.

Для широкомасштабного внедрения результатов работы при строительстве и реконструкции автомобильных дорог, устройстве тротуаров и производстве стеновых силикатных автоклавных материалов разработаны технологические документы:

- технические условия на «Вяжущее из известковых отходов сахарных заводов». ТУ 5744-008-02066339-00;

- рекомендации по использованию глинистых грунтов КМА для укрепления оснований дорожных одежд;

- технологический регламент на «Производство цементогрунтов с использованием глинистых пород КМА и вяжущего из известковых отходов сахарных заводов для укрепления оснований дорожных одежд»;

- технологический регламент на «Изготовление обжиговой тротуарной плитки на основе кварцевых пород»;

- технические условия на «Плитку тротуарную на основе кварцевых пород». ТУ 5746-016-2066339-2004;

- рекомендации по использованию железосодержащих отходов ЭСПЦ ОЭМК;

- технические условия на «Песок строительный из отсева дробления кварцитопесчаников Лебединского месторождения». ТУ 5743-009-02066339-2002.

Выпущены опытно-промышленные партии низкообжиговой тротуарной плитки, силикатного кирпича, мелких стеновых блоков из газосиликата.

Результаты работы использовались при реализации программы «Развитие дорожной сети в сельских населенных пунктах Белгородской области и их благоустройство» (постановление Областной Администрации Белгородской области № 494 от 23.09.1998), в рамках которой реконструировано, благоустроено и построено более 3300 км автомобильных дорог и тротуаров. При этом получен значительный экологический, социальный и экономический эффект. р Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленного внедрения: способствовали созданию НИЛ «Грунтобетоны для дорожного строительства»; используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 29.10 и 29.06, что отражено в учебных программах дисциплин «Материаловедение», «Строительные материалы и изделия», «Основы научных исследований»; использованы в изданных учебных пособиях: «Охрана окружающей среды на предприятиях дорожного строительства», 1997; «Лабораторный практикум по строительным материалам», 2001; «Минералогия и петрография сырья для производства строительных материалов и технической керамики», 2001.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на 24 Международных конференциях и симпозиумах, 5 академических чтениях РААСН, Всероссийской и Региональной конференциях, в том числе: Четвертых, пятых и шестых международных симпозиумах «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» (Белгород, 1997, 1999, 2001); Научной конферен-ф ции Кольского филиала РАН (Апатиты, 1998); II конгрессе обогатителей стран

СНГ (Москва, 1999); Международных научно-практических конференциях-школах-семинарах молодых ученых и аспирантов (Белгород, 1998, 1999, 2001); IX Международной конференции «Технология, оборудование и сырьевая база горных подотраслей промышленности строительных материалов» (Москва, 2000); Международных научно-технических конференциях: «Резервы производства строительных материалов» (Барнаул, 1997), «Проблемы научно-технического прогресса в строительстве в преддверии нового тысячелетия» (Пенза, 1999), «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2000), «Проблемы и перспективы архитектуры и строительства» (Томск, 2003); Международных научно-практических конференциях: «Проблемы науки, образования и устойчивого развития общества в начале XXI века» (Чимкент, 2003), «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (Белгород, 2004); Международной конференции «Кристаллогене-зис и минералогия» (С.-Петербург, 2001); Международном конгрессе «Проблемы бетонных конструкций» (Шотландия, 2002); Международном совещании «Рентгенография и кристаллохимия минералов» (С.-Петербург, 2003); Международном форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2003); Международном минералогическом семинаре «Кварц. Кремнезем»

Сыктывкар, 2004); Вторых, четвертых, пятых, шестых и седьмых академических чтениях РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» (Казань, 1996), (Пенза, 1998), (Воронеж, 1999), (Иваново, 2000), (Белгород, 2001).

Под руководством автора защищены четыре диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

На защиту выносятся. Методологические основы повышения эффективности производства строительных материалов с учетом типоморфных признаков сырья.

Явление наследования степени совершенства кристаллических структур сырьевых минералов новообразованными при синтезе искусственных композитов.

Характер влияния степени несовершенства кварца на его реакционную способность и фазовый состав синтезируемых гидросиликатов кальция в системе «СаО-БЮг-НгО».

Механизм структурообразования и набора прочности грунтобетонов на основе глинистых пород КМА.

Принципы повышения эффективности производства керамических материалов за счет использования нетрадиционного алюмосиликатного сырья зоны гипергенеза.

Характер полиморфных переходов кристаллического кремнезема различных генетических типов в процессе подъема температуры методом ВТРФА, в том числе в присутствие щелочесодержащих добавок.

Технологии производства эффективных стеновых и дорожно-строительных материалов.

Результаты производственных испытаний и внедрения.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 83 работах, в том числе в 6 монографиях и учебных пособиях, 11 статьях научных журналов по списку ВАК России, защищены патентами РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из семи глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 440 страницах машинописного текста, включающих 136 рисунков и фотографий, 66 таблиц, список литературы из 438 наименований, 18 приложений.