автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Строительные композиционные материалы на основе местных сырьевых ресурсов

На правах рукописи

гҐ

Губанов Дмитрий Александрович

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МЕСТНЫХ СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ

Специальность 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия»

Автореферат диссертации на соискание ученой сте'пенн кандидата технических наук

17 окт 2013

Волгоград-2013

005535062

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва».

Научный руководитель:

Ерофеев Владимир Трофимович, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Иващенко Юрий Григорьевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский

государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина», заведующий кафедрой «Строительные материалы и технологии»

Потапова Ольга Кирилловна, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Волгоградский

государственный архитектурно-

строительного университет», доцент кафедры «Строительные материалы и специальные технологии»

ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный политехнический университет»

Защита состоится «30» октября 2013 г. в «10» часов в ауд. Б-203 на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный

университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный

университет»

Автореферат разослан у ЗО » сЫсггъогЛуиЛ- 2013 :

Ученый секретарь диссертационного совета

1Ґ

Акчурин

Талгать Кадимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время удельная энергоёмкость внутреннего валового продукта в нашей стране в 2-3 раза превышает среднемировой показатель. Данная проблема в большей мере характерна для строительного производства, являющейся одной из наиболее энерго- и ресурсоёмких. При этом наиболее крупным потребителем энергетических ресурсов в строительном производстве занимают процессы, относящиеся к технологии создания строительных материалов. Экономия материальных и энергетических затрат достигается за счет применения ресурсосберегающих технологий предусматривающих широкое применение отходов промышленного и строительного производства. В этой связи разработка и получение эффективных композиционных материалов на основе местного сырья и отходов производства является актуальной, современной и значимой задачей. Широкое использование малоиспользуемых отходов стекла, бетонного лома, производства металлопласгиковых труб позволяет решить более полно задачи ресурсосбережения и охраны окружающей среды, а также снизить затраты на изготовление строительных материалов.

Увеличение объема применения бетона и железобетона в строительстве и реконструкция зданий вызывают появление огромного количества отходов и некондиционной продукции. Однако вторичное использование бетона ограничено. В настоящее время утилизация данного вида отходов сводится к использованию бетонного лома в качестве крупного заполнителя. Наиболее перспективным решением проблемы повторного использования бетона является получение строительных композитов на его основе по технологиям алюмосиликатно-щелочных вяжущих и контактно-конденсационного твердения.

Бой стекла и шлак являются эффективными вторичными ресурсами, на основе которых можно получать связующие, растворы и бетоны. Используемые в настоящее время технологии изготовления строительных материалов с применением этих отходов имеют высокую энергоемкость. Актуальным решением этой проблемы является получение полимерных материалов на основе стеклобоя и шлакосодержащих составов по каркасной технологии.

Значительное увеличение объемов производства металлополимерных труб вызывает появление нового вида отходов. В этой связи исключительно важными являются исследования, направленные на разработку технологий, оптимизацию составов и изучение свойств композиционных материалов на основе отходов производства металлогшастиковых труб.

Предлагаемая диссертационная работа посвящена решению указанных актуальных вопросов. Теоретическими предпосылками для проведения исследований явились научные положения физики, химии и механики дисперсных систем, а также поверхностных явлений на границе раздела фаз на ранних стадиях структурообразования и формирования долговечных структур.

Цель и задачи исследований.

Целью настоящей работы является научное обоснование методов и технологий получения эффективных строительных материалов и изделий с улучшенными эксплуатационными характеристиками на основе местных сырьевых ресурсов и отходов промышленности.

В целом задачи исследований состоят в следующем:

1. Обосновать выбор технологий по созданию материалов с применением некондиционной бетонной продукции, отходов стекла, шлаков, металлопластиковых труб и подобрать оптимальные технологические параметры получения композиционных материалов.

2. Установить закономерности структурообразования и оптимизировать составы композиционных строительных материалов на основе отходов промышленного и строительного производства, получаемых по технологиям алюмосиликатно-щелочных вяжущих, контактно-конденсационного твердения, прессования и технологии каркасных бетонов.

3. Исследовать влияние качественного и количественного состава и технологических параметров на свойства опытных образцов и установить основные физико-технические свойства композиционных материалов на основе отходов промышленного и строительного производства.

4. Получить количественные зависимости изменения, физико-механических свойств композиционных материалов от различных структурообразующих факторов и воздействия агрессивных сред.

Научная новизна работы.

Установлены закономерности технологии получения эффективных строительных композитов из вторичного бетона по технологиям алюмосиликатно-щелочных вяжущих и контактно-конденсационного твердения.

Определены закономерности изменения структуры и свойств каркасных полимерных композитов, прессованных полимербетонов и материалов контактно-конденсационного твердения на основе шлака и стеклобоя в соответствии с математическими моделями в зависимости от зернового состава заполнителей и технологических условий.

Подтверждена возможность получения строительных композитов и изделий на их основе с применением отходов производства металлополимерных труб по различным технологиям.

Практическая значимость работы.

• Предложены составы композиционных материалов из вторичного бетона, полученные по технологиям алюмосиликатно-щелочных вяжущих и контактно-конденсационного твердения. Получены составы композитов, имеющих прочность не ниже прочности утилизируемых бетонов.

• Получены эффективные составы полимерных композиционных материалов на основе отходов стекла и шлака с применением каркасной технологии и способом прессования.

• Выявлены оптимальные технологические режимы получения строительных композитов и изделий на их основе с применением отходов производства металлопластиковых труб.

Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: ежегодных научно-технических конференциях: XII научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета имени Н.П, Огарева, 2007 г., Шестой Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства», Саранск, 2007 г., VII всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования, Омск, СибАДИ, 2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 статьи опубликованы в журналах из перечня ВАК.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены лично автором. Им сформулированы цели и задачи исследования, обоснованы теоретические положения, выполнены экспериментальные исследования, их анализ и обобщение, раскрывающее научную новизну и подтверждающее ее практическую значимость.

Об! »см работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 135 наименований. Она изложена на 140 страницах машинописного текста, включает 26 рисунков, 30 таблиц, 4 приложения.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Строительных материалов и технологий» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, отражена научная новизна и практическая значимость выполненной работы, представлены данные по апробации и внедрения результатов работы.

В первой главе приводится аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы об основных материалах и изделиях на основе отходов производства, опыту создания материалов на их основе. В диссертации нашли отражение исследования по опыту использования отходов производства для получения строительных материалов отечественных и зарубежных специалистов: Глуховского В.Д., Комара А.Г, Баженова Ю.М, Тарасовой А.П., Гуревича Б.И., Зосина А.П., Дворкина Л.И., Горлова Ю. П., Гольцова А. Н., Руновой Р.Ф., Патуроева В. В., Гусева Б. В., Загурского В. A., Shi С., Palomo A., Roy D., Davidovits J. и др.

С учетом развития достижений в области строительного материаловедения, а именно получения алюмосиликатно-щелочных вяжущих, использования контактно-конденсационного твердения композитов,

технологии создания материалов с организованной структурой могут быть реализованы новые подходы в создании эффективных материалов с применением отходов бетона, стекла, металлополимерных труб и шлаков.

Во второй главе приведены свойства материалов и веществ, которые были использованы в ходе экспериментов; перечислены методы проведения испытаний композиционных материалов; описаны использованные математические методы построения экспериментов.

• Портландцемент: Алексеевского цементного завода ОАО «Мордовцемент» (п. Комсомольский Республики Мордовия), с минеральной добавкой (опока до 10%), удовлетворяющий требованиям ГОСТ 10178-85.

• Вода затворения: вода питьевая удовлетворяющая требованиям ГОСТ 479789.

• Едкий натр технический, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 2263-79.

• Едкий калий, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 9285-78.

• Двуводный гипс, полученный в результате твердения гипсового теста нормальной густоты из полуводного гипса марки Г-6, удовлетворяющего требованиям ГОСТ 125-79.

• Серная кислота, (H2S04), удовлетворяющая требованиям ГОСТ 4204-77.

• Эпоксидная смола марки ЭД-20, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 10587-84.

• Полиэтиленполиамин, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 10587-84.

• Поливинилацетатная эмульсия, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 14039-78Е.

• Лом бетона на гранитном щебне классов В7,5 и BIO.

• Металлополимерные трубы. Отходы производства металлополимерных труб «Biopipe» ТУ 2248-002-99993986-2011, представляющие собой обрезки труб от 0,1 до 0,7 м.

• Тонкоизмельченный бой стекла. Отход производства Саранского электролампового завода. Плотность в сухом состоянии 860-870 кг/м . Удельная поверхность 3000-3500 см2/г. Химический состав, %: Si02 - 68,572,9; Na20- 11,9-16,7; К20-1,2-3,8; СаО-5,0-6,0; ВаО-2,2-5,5; MgO-3,2-3,8; Fe2S03-0,1-0,12; А1203-1,0-1,5.

• Шлак. Отход производства Саранского литейного завода. Химический состав, %: FeO - 13,3; Fe203 -57,3; MnO 0,4; NiO - 0,1; Cr203 - 0,1; Si02 -18,8; CaO - 2,1; MgO - 4,5; A1203- 2,9; С - 0,5.

При определении физико-технических свойств строительных композиционных материалов применялись современные физико-механические, физико-химические и математические методы исследований, регламентируемые действующими ГОСТами.

В третьей главе обобщены результаты выполненных исследований по разработке технологии и оптимизации составов композиционных материалов на основе вторично используемых бетонов, базирующихся на теории создания

апюмосиликатно-щелочных вяжущих и формирования материалов контактно-конденсационного твердения.

Было выделено две группы факторов, определяющие состав композиций (водо-твердос отношение и содержание едкой щелочи) и технологические (продолжительность активации сырья и операции сухого прогрева). Для каждой из групп были реализованы полные двухфакторные эксперименты с изменением влияющих факторов по трем уровням.

В табл. 1 приведены матрица планирования и результаты экспериментов по определению влияния факторов, определяющих состав композиций, на основные их свойства. Содержание щелочи варьировалось от 3 до 7%. Были использованы два вида щелочи - НаОН и КОН. Водо-твердое отношение выбиралось исходя из требования удобоукладываемости и составляло от 0,3 до 0,4. Композиции изготавливались из совместно помолотой смеси дробленого бетона класса В7,5 с водой. Продолжительность помола в вибромельнице составляла 5 минут. Щелочь вводилась в смесь после помола. После изготовления образцы подвергались сухому прогреву при температуре 180°С в течение 2 часов.

Таблица 1

Матрица планирования и результаты экспериментов_

Кодированные значения факторов Натуральные значения факторов Показатели Показатели

композитов композитов

№ со щелочью №ОН со щелочью КОН

опыт а X, х2 Содержание Водо-твердое Средняя плотность Средняя прочност ь при сжатии Ясж, МПа Средняя плот- Средняя прочность при сжатии МПа

щелочи, % отношение (В/Т) У' , кг/м~ ность у, кг/м3

1 -1 -1 3 0,3 1660 13,8 1679 5,9

2 0 -1 5 0,3 1677 14,8 1735 8,0

3 + 1 -1 7 0,3 1662 16,0 1734 8,9

4 -1 0 3 0,35 1617 8,1 1660 4,5

5 0 0 5 0,35 1599 11,5 1641 7,0

6 +1 0 7 0,35 1640 19,2 1689 9,3

7 -1 +1 3 0,4 1578 7,9 1619 2,9

8 0 +1 5 0,4 1530 9,7 1620 5,9

9 +1 +1 7 0,4 1627 12,2 1710 11,7

После проведения испытаний и статистической обработки результатов эксперимента построены графические зависимости изменения свойств материалов от факторов варьирования (рис. 1 и 2). Анализируя результаты эксперимента и найдя экстремумы полученной регрессионной функции было установлено, что зона оптимальных значений прочности и средней плотности композитов находится в следующих интервалах значений факторов:

- для №0№ В/Т в пределах 0,3 - 0,5 при максимальном содержании щелочи 7%.

- для КОН: максимальная прочность достигается при максимальном содержании воды в смеси и содержании щелочи около 7%.

ВоЗо-тЬердое

СоЭержание щелочи, %

7=1599,6+11.5 x,--73,5 хг+28,7 х,г+11,75-х, хг+ +3,7-хм4,25 x,2 хг+1,25 x, хг2

Водо-т&ерЗое отношение

Содержание щелочи, %

ксж=12л+5,55-х,--2,55 х2+0,87 х,2+0,53 x, хг--0,53 х2г+0,13 х,! х2-3,93-х,-хгг

Рис. 1 Графическое отображение зависимостей изменения средней плотности (а) и прочности при сжатии (б) исследуемых композитов в зависимости от содержания едкого натрия и водо-твердого отношения

Войо-т&ердое отношение

Содержание щелочи, %

7= 1652,4+14,5-х,— —57,5-хг+1613-х!2+9,25-х1-хг+ +19,3 х;2+36,25-х,2-хг+22,25 х, х2г

б)

0,35

Водо-тЬерЗое отношение

^сж-^л 8+2,400-х,— —1,05 х2+0,23-х,г+1л5 х,-хг+ +0,28-х22+1,0-х,2хг+0,55х1х22 Рис. 2 Графическое отображение зависимостей изменения средней плотности (а) и прочности при сжатии (б) исследуемых композитов в зависимости от содержания едкого калия и водо-твердого отношения Выявлено что при использовании щелочи КОН прочность композитов на вторичном бетоне несколько ниже. По-видимому это объясняется меньшей активирующей способностью едкого калия в сравнении с едким натрием. Этим же можно объяснить и максимальную прочность композитов с использованием едкого калия при максимальном расходе воды - так как для активации

вторичного бетона необходимо большее содержание раствора, пусть и меньшей концентрации.

Для дальнейших испытаний был принят следующий состав композитов, мае. ч.: дробленый бетон класса В7,5 - BIO; вода - 3; щелочь (NaOH или КОН) - 5. После определения оптимальных соотношений компонентов исследуемых композитов осуществлялась оценка влияния основных технологических процессов. Выявлены следующие факторы, влияющие в наибольшей степени на свойства материалов: продолжительность активации «мокрым» помолом - от 5 до 15 минут в лабораторной вибромельнице; продолжительность сухого прогрева при температуре 180°С - от 2 до 8 часов. Щелочь вводилась в смесь после совместного помола дробленого бетона и воды в вибромельнице. Результаты опытов в точках наблюдения плана эксперимента приведены в табл. 2 и на рис. 3 и 4.

Таблица 2

Матрица планирования и результаты экспериментов_

№ опыт а Кодированны е значения факторов Реальные значения факторов Показатели композитов со щелочыо NaOH Показатели композитов со щелочью КОН

X, Х2 Продолжительность помола, мин Продолжительность прогрева, ч Средняя плотность У, кг/м"* Средняя прочност ь при сжатии Rc-ж, МПа Средняя плотность у, кг/м'1 Средняя прочность при сжатии Rc», МПа

1 -1 -1 5 2 1677 14,8 1700 8,0

2 0 -1 10 2 1646 12,2 1700 5,4

3 + 1 -1 15 2 1617 16,7 1753 8,4

4 -1 0 5 5 1628 9,9 1799 4,0

5 0 L_ 0 10 5 1665 13,4 1751 5,7

6 + 1 0 15 5 1683 19,6 1684 10,8

7 -1 +1 5 8 1613 13,4 1701 5,0

8 0 +1 10 8 1670 15,7 1660 6,5

9 +1 +1 15 8 1604 18,1 1661 6,8

Из результатов проведенных исследований следует, что с увеличением продолжительности активации на рассмотренном интервале прочность композита монотонно возрастает, что позволяет предполагать, что процессы аморфизации при воздействии не затухают. Образующиеся при помоле новые поверхности способствуют возрастанию активности сырья. При этом средняя плотность композитов с увеличением продолжительности механической обработки несколько снижается. Это объясняется, по-видимому, образованием большего числа пустот между более мелкими частицами при упаковке их в структуре материала. Рентгеноструктурными исследованиями выявлен переход части оксида кремния из кристаллической в аморфную модификацию. Продолжительность прогрева оказывает наибольшее влияние для сырья с малой продолжительностью активирования; при достаточно активированном сырье прочность композитов достигает максимальных значений после 5 часов прогрева.

Продолжительность

прогре&а, ч 2

ПроЗолжительность помола, мин

7=1705,9*2,5 хг-и,5 х2--52,8 х,!*59,0 х, х2-—88,833 х 22+101,0 0 0 x,2 хг—

-101,000 х,х22

■ш

11450 ¡1400 11350

б)

• • 4 • ' ■ ■ \' - -

ПроЗолжительность

прогреЬа, ч 2

15

ПроЗолжительность помола, мин

ясж=1^.3+1.15 х,+2,25 х2+0л5х,г--1,25 х, х!»0,35 хгм,35-х,2 х2--0,65 x, х22

|19 ¡18 ¡17 -16 ¡16 114

I

»13 »12 |11 «Ю

Рис. 3 Графическое отображение измеиеиия средней плотности (а) и прочности при сжатии (б) исследуемых композитов в зависимости от продолжительности помола и продолжительности прогрева (для образцов с едким натрием)

Продолжительность прогреВа, ч

Продолжительность помола, мин

7=1709,2-45,5х1+26,5х2--8,3 х,2+18,75х,х2+12,7х22--65,25-х12-х2+15,25-х1-х22

1

б)

— ■

/Х/Х/ V / • ' , > V;

/^уух/УХ/у*

ПроЭолжительность

прогрейа, н 2

Продолжительность помола, мин

^сж=5,97+злх,+0,55х2+ +1,3 х,2+0,в5 х, х2—0,150 х22--1,7 x,'хг-2,85 x, хг!

Рис. 4 Графическое отображение изменения средней плотности (а) и прочности при сжатии (б) исследуемых композитов в зависимости от продолжительности помола и продолжительности прогрева (для образцов с едким калием)

В целом можно отметить, что, варьируя значения основных технологических параметров можно добиться прочности при сжатии получаемых композитов в 1,5-2 раза превышающую прочность бетонов, используемых в качестве сырья (бетоны с Ясж= 7,5 МПа).

Сравнивая результаты, полученные с использованием технологий алюмосиликатно-щслочных вяжущих и контактно-конденсационного твердения, можно отмстить, что минералы цементного камня, более активно участвуют при образовании структуры композитов во втором случае. Прочность образцов, в качестве сырья для которых применялся бетон класса В7,5 составляла до 18 МПа, а при применении бетона класса В15 - более 30 МПа. Однако, средняя плотность материала, полученного путем контактно-кондеисационного твердения примерно в 1,4—1,5 раза выше, чем для материалов, при изготовлении которых применялась технология алгамосиликатно-щслочных вяжущих. Это объясняется самим принципом технологии, которая способствует получению максимально плотной структуры.

В четвертой главе на основе проведенных исследований установлена возможность использования в качестве сырья для получения строительных композитов отходов производства трехслойных металлопластиковых труб. Технологический цикл производства предполагает наличие довольно большого количества отходов, представляющих собой обрезки труб длиной до 1 метра. Учитывая плотную и прочную структуру труб, несущий слой которых выполнен из алюминия, а наружный и внутренний слой - из полиэтилена, была поставлена задача о использовании их в качестве компонента строительных композитов. В качестве структурной единицы, получаемой из отхода, был принят фрагмент трубы, отрезанный перпендикулярно продольной оси.

На первом этапе эксперимента были получены цементные бетоны, в которых в качестве крупного заполнителя использовались фрагменты отходов груб высотой 2-8 мм. Для сравнения рассматривались бетоны на гранулированных плотных заполнителях. Оптимизация составов цементных бетонов с заполнителем из фрагментов металлополимерных труб была проведена при помощи методов математического планирования эксперимента. В качестве варьируемых факторов были выбраны длина фрагментов труб и их содержание в составах. Исследования проводились на образцах-балочках размером 4x4x16 см. Образцы подвергались тепловлажностной обработке при 1=90°С в течение 8 часов на следующие сутки после изготовления и испытывались в возрасте 28 суток. Матрица планирования и результаты экспериментов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Матрица планирования и результаты эксперимента

№ опыта Кодированные значения факторов Натуральные значения факторов Средняя прочность при сжатии Ясж, МП а

X, х2 Содержание фрагментов труб по массс, % Размер трубок, мм

1 -0,33 -0,33 3 1-2 16,5

2 0,33 -0,33 4,2 1-2 16,3

3 1 -0,33 5,4 1-2 16,8

4 -0,33 0,33 3 3-5 15,1

5 0,33 0,33 4,2 3-5 16,9

6 1 0,33 5,4 3-5 15,6

7 -0,33 1 3 8-10 17.6

8 0,33 1 4,2 8-10 13,6

9 1 1 5,4 8-10 16,7

После статистической обработки результатов эксперимента получено следующее уравнение регрессии:

Ясж= 17,206+2,775-Хг2,162-Хг8,561 -Хг+4,821 -X, Х-,-0,3 32-Х22+ +13,594-ХГХ2-13,657-Х1Х22+3,115-Х12Х22

Графическая зависимость изменения средней прочности при сжатии от содержания и длины фрагментов труб, построенная по уравнению регрессии,

Содержание фрагментов труб. %

Рис. 5 Зависимость изменения средней прочности при сжатии от содержания и размера трубок.

Из графической зависимости следует, что зона максимальной прочности бетона (более 17 МГІа) соответствует содержанию фрагментов труб от 3 до 5% при их размере 2-5 мм. Для сравнения, прочность на сжатие контрольных образцов со щебнем в качестве крупного заполнителя составляет 15,7 МПа.

На втором этапе были проведены исследования по изучению влияния термообработки на прочность композитов с фрагментами труб в качестве крупного заполнителя. Для испытаний были изготовлены образцы 3-х составов на фрагментах груб с гладкой и механически обработанной поверхностью. Использовались фрагменты труб длиной 3^5 мм. Содержание фрагментов труб принималось равным 70, 100, 130 г. Половина образцов каждого состава после распалубки подвергалась прогреву при температуре 220°С в течение 30 минут. Испытания проводились на образцах в возрасте 28 суток. Составы испытываемых образцов были приняты следующие (в % по массе): состав №1 -портландцемент - 21, кварцевый песок - 63, вода - 13, фрагменты труб (3-5 мм) - 3; состав №2 - портландцемент - 20,8, кварцевый песок - 62,5, вода - 12,5, фрагменты труб (3-5 мм) - 4,2; состав №3 - портландцемент - 20,6, кварцевый песок - 61,7, вода - 12,3, фрагменты труб (3-5 мм) - 5,4. Результаты испытаний отображены на рисунках 6, 7.

3 4,2 5,4

Содержаниетруб, %

—♦—С прогревом(30 мин 220 С) '"»™ без прогрева

Рис. 6. Влияние прогрева на прочность при сжатии композитов с необработанными фрагментами труб

3 4,2 5,4 Содержание труб, % __

♦ С прогревом (30 мин 220 С).....*- без прогрева

Рис. 7. Влияние прогрева на прочность при сжатии композитов с механически обработанными фрагментами труб

Видно, что при прогреве во всех случаях увеличивается прочность композитов. При нагревании образцов до температуры плавления полиэтилена, последний, расплавляясь, заполняет поры контактной зоны матрицы. При остывании полиэтилена образуется контакт с растворной матрицей прочней, чем у традиционных заполнителей.

Вторичная переработка технологических отходов, образующихся при производстве металлополимерной композитной трубы, путем разделения составляющих является достаточно трудоемкой. В этой связи было принято решение использовать их целиком, лишь разрезая на фрагменты нужного размера, исключив при этом операции дробления и отделения слоев.

Далее предложено использовать фрагменты заполнителей для создания композитов с организованной макроструктурой. Способ изготовления такого композиционного материала заключается в формовании каркаса путем соединения фрагментов труб путем оплавления в зоне контакта или склеивании различными композициями.

Для определения оптимальной температуры и продолжительности прогрева каркаса для создания прочных контактов проводился следующий эксперимент. Металлопластиковые трубы диаметром 16 мм разрезались на кольца длиной 3-5 мм и укладывались в форму 4x4x16 см. Затем проводилась выдержка образцов в печи при различных значениях температуры и продолжительности прогрева. Результаты исследований приведены в табл. 4.

] I/

) 17

Л }

> Таблица 4

Зависимость прочности композитов от параметров режима сплавления

Режимы сплавления фрагментов труб Прочность, МПа

Температура нагрева, °С Продолжительность прогрева, мин при изгибе при сжатии*

210 40 - 1,5

210 50 0,7 1,8

210 60 1,1 2,5

210 70 1,3 3,6

215 40 1,4 4,2

215 50 1,7 4,8

215 60 1,6 5,0

215 70 1,3 4,3

220 40 1,5 4,6

220 50 2,0 5,0

220 60 1,9 5,8

220 70 1,6 4,6

225 40 1,3 4,0

225 50 1,8 4,5

225 60 1,7 5,0

225 70 1,5 4,4

230 40 1,2 3,2

230 50 1,5 3,5

230 60 1,7 3,8

230 70 1,4 3,5

* - при 10%-ной линейной деформации

Анализ полученных данных показывает, что оптимальным является режим плавления фрагментов труб при температуре прогрева 215-225°С и его продолжительности 40-50 мин. На рис. 8 представлен внешний вид экспериментального образца с размерами фракций 3-5 мм.

Так же одним из эффективных способов применения отходов производства металлопдастиковых труб является возможность их использования в качестве элементов ориентированного армирования композиционных материалов. Суть технологии заключается в расположении фрагментов труб по направлению действия нагрузки. В данном эксперименте в качестве связующего для матрицы использовались цементные и полимерные растворные композиции. Образцы изготавливались размером 4x4x16 см. Для снижения плотности внутреннее пространство фрагментов труб матрицей не заполняется. Испытания проводились через 28 суток. Составы исследуемых композитов и их физико-механические свойства приведены в табл. 5.

Таблица 5

Составы и прочностные свойства композитов с трубками в качестве элементов

ориентированного армирования

№ •п/п Состав компонентов в мас.ч. Плотность, кг/м3 Предел прочности при изгибе, МПа Предел прочности при сжатии, МПа

1 Цемент-3,3 м.ч.; эпоксидная смола - 1 м.ч.; трубки - 0,84 м.ч. 1350 ' 5,7 38,9

2 Песок - 3,3 м.ч.; эпоксидная смола - 1 м.ч.; трубки - 1,2 м.ч. 1025 4,0 30,1

3 Полиэтилен PERT; трубки 700 8,7 45,5

4 Шлак-3,3 м.ч.; эпоксидная смола - 1 м.ч.; трубки - 1,1 м.ч. 1100 4,2 35,6

Полученные результаты показывают, что предлагаемые материалы имеют низкую среднюю плотность и при малой длине фрагменты труб обладают достаточной устойчивостью, что позволяет добиться значительного увеличения показателя прочности при сжатии композиционных материалов.

В пятой главе подобраны оптимальные составы для полимерных композитов на основе стеклобоя, шлака, изготавливаемых но каркасной технологии и методом прессования.

Каркасная технология изготовления строительных изделий предусматривает на первом этапе формирование каркаса путем склеивания зерен крупного заполнителя друг с другом и на втором - заполнение пустот пористого каркаса матричной композицией. С целью максимального наполнения композитов заполнителями из отходов стекла проведена оптимизация их гранулометрического состава. Исследования проведены методом математического планирования эксперимента (табл. 6). Результаты даны в условиях и единицах, в качестве условной единицы выбраны показатели прочности композитов с крупностью зерен заполнителя 1,25-2,5 мм.

Таблица 6

Матрица планирования и результаты эксперимента _

№ опыта Кодированные значения факторов Натуральные значения факторов Средняя прочность на изгиб, Яиз, усл.ед. Средняя прочность на сжатие, Я«, усл.ед.

X, Х2 Хз Содержание зерен каркаса размером мм, %

1,25-2,5 2,5-5 5-10

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 1 0 0 100 0 0 1 1

2 0 1 0 0 100 0 1,22 1,19

3 0 0 1 0 0 100 1,14 1,22

4 0,33 0,33 0,33 33 33 33 1,11 0,94

5 0,66 0,33 0 66 33 0 0,89 0,77

6 0,66 0 0,33 66 0 33 0,92 0,9

7 0,33 0 0,66 33 0 66 0,82 0,9

8 0,33 0,66 0 33 66 0 0,85 0,94

9 0 0,33 0,66 0 33 66 1,12 1,05

10 0 0,66 0,33 0 66 33 1,14 0,97

После статистической обработки результатов эксперимента получены следующие уравнения регрессии:

Я„3=Х|+1,22Х2+1,14Хз-0,6525Х1Х2-0,9X1X3-0,72X2X3--1,4625Х|Х2(Х1-Х2)+0,045Х1Хз(Х,-Хз)+1,17Х2Хз(Х2-Хз)+7,3577Х1Х2Х3 ЯсЖ= Х,+1,19X2+1,22Хз-0,5625Х,Х2-1,1475Х,Хз-1,035Х2Х3--0,5175Х1Х2(Хг_Х2)+1,6425Х|Хз(Х1-Хз)+1,08Х2Хз(Х2-Хз)+3,7351X1X2X3 По уравнениям регрессии построены графические зависимости (рис. 9).

Рис. 9 Зависимость изменения средней прочности каркасных композитов от гранулометрического состава заполнителей: а) прочность на изгиб, б) прочность на сжатие.

Анализ полученных результатов показывает, что в области наибольшей прочности располагаются композиты с зернами средней и крупной фракции, причем оптимальным составом является состав №9, где имеет место модифицирование крупной фракции путем добавления средней. Характер изменения прочности при изгибе и сжатии в зависимости от гранулометрии каркаса приблизительно одинаков. Установлена более высокая водостойкость стеклонаполнеиных полимерных композитов по сравнению с материалами, наполненными кварцевым порошком.

Давление прессования является основным технологическим параметром для композитов, изготавливаемых методом прессования. Проводился эксперимент для определения оптимального давления прессования для композитов с активным заполнителем. Испытывались образцы-цилиндры высотой 3 см и диаметром 2 см следующего состава: гранулированный шлак -1111 мае. ч., эпоксидная смола - 100 мае. ч., полиэтиленполиамин - 10 мае. ч. На момент определения предела прочности возраст образцов составлял 28 сут. Из результатов испытаний выявлено, что оптимальным является давление прессования - 100 МПа, при показателе прочности на сжатие 67,7 МПа. Давление выше указанного предела приводит к разрушению части уже образованных связей.

Для подтверждения эффекта продолжения процесса структурообразования после снятия давления прессования проводилось исследование кинетики набора прочности композитов на основе шлака и стеклобоя. Вследствие воздействия усадочных напряжений полимерной матрицы, происходит упрочнение контактов между частицами заполнителя. Для ускорения процесса структурообразования в состав образцов в небольших количествах вводился портландцемент. Образцы-цилиндры прессовались при давлении 100 МПа. Составы образцов и результаты испытаний приведены в табл. 7.

Таблица 7

Результаты эксперимента_

№ состава Характеристика состава Прочность при сжатии образцов, МПа в возрасте, сут.

1 3 7 14 28

1 2 3 4 5 6 7

1 Шлак-750 мае. ч., Портландцемент — 83 мае. ч.; Эпоксидная смола - 100 мае. ч.; полиэтиленполиамин — 10 мае. ч. 12,5 44,7 78,2 113,2 118,7

Окончание табл. 7

1 2 3 4 5 6 7

2 Шлак - 950 мае. ч., Портландцемент - 50 мае. ч.; Эпоксидная смола — 100 мае. ч.; полиэтилениолиамин — 10 мае. ч. 10,3 47,7 85,7 120,5 130,3

3 Стеклобой - 833 мае. ч., Эпоксидная смола - 100 мае. ч.; полиэтилениолиамин — 10 мае. ч. 8,3 23,3 41,7 71,3 91,7

Как видно из результатов исследования, рост прочности композитов, изготавливаемых методом прессования на основе шлака и стеклобоя, характеризуется логарифмической зависимостью с затуханием к возрасту 28 суток. По сравнению с образцами в возрасте 3 суток их прочность к 28 суткам возрастает более чем в 3 раза.

Следующий эксперимент проводился с целью снизить давление прессования с увеличением продолжительности последнего. Для этого предлагается ввести в технологический процесс стадию прогрева. Прогрев ускоряет отверждение полимерной матрицы и уплотняющее воздействие на частицы заполнителя за счет усадочных деформаций.

На процесс структурообразования композитов, изготавливаемых методом прессования, большое влияние оказывает крупность частиц минерального компонента. Чем меньше крупность частиц, тем большее количество контактов они будут образовывать. Суммарная же прочность композита определяется количеством и прочностью контактов между его составляющими. В то же время, непрерывный зерновой состав, включающий частицы разного размера, способен образовывать структуру с более плотной упаковкой. Составы для исследуемых образцов представлены в табл. 8. Результаты эксперимента отображены на рисунке 10.

Таблица 8

Составы композитов_

№ п/п Состав

1 Стеклобой, фр. 0,315-0,63 мм, 100 мае. ч.; эпоксидный клей 10 мае. ч.

2 Стеклобой, фр. 0,16-0,315 мм, 100 мае. ч.; эпоксидный клей 12 мае. ч.

3 Стеклобой, фр. <0,16 мм, 100 мае. ч.; эпоксидный клей 15 мае. ч.

4 Шлак, фр. 0,315-0,63 мм, 100 мае. ч.; эпоксидный клей 10 мае. ч.

5 Шлак, фр. 0,16-0,315 мм, 100 мае. ч.; эпоксидный клей 14 мае. ч.

6 Шлак, фр. <0,16 мм, 100 мае. ч.; эпоксидный клей 14 мае. ч.

I - фракция 0,315-0,64 мм; 2 - фракция 0,16-0,315; 3 - фракция 0,16 мм Рис. 10. Средняя прочность композитов

Наибольшая прочность в случае применения шлакового порошка достигается при крупности 0,16-0,315 мм — 139,2 МПа, а стеклопорошка когда его крупность менее 0,16 мм - 72,9 МПа.

В этой же главе приведены составы композитов, рекомендуемые для внедрения и расчет экономической эффективности от внедрения разработки. Результаты исследований по технологии получения композитов на основе отходов металлопластиковых труб внедрены на заводе ЖБК-1 г. Саранска, а каркасные полимербетонные покрытия рекомендованы ОАО «Архстройпроект» при укладке полов производственного здания.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выявлен строительно-технологический потенциал отходов дробления бетона и железобетона, боя стекла и отходов металлополимерных трубопроводных материалов, определяющий эффективные области их применения в стройиндустрии строительных материалов региона.

2. Обоснованы теоретические предпосылки к созданию эффективных композиционных строительных материалов на основе отходов дробления бетона, стеклобоя и металлопластиковых трубопроводных материалов посредством применения технологии контактно-конденсационного твердения, получения алюмосиликатных-щелочных связующих, каркасной технологии и прессования.

3. Исследованы механизмы влияния рецептурных и технологических факторов на свойства композитов на основе вторичного используемых бетонов. Методом математического планирования эксперимента получены регрессионные модели, отображающие зависимости показателей прочности и плотности композитов от количественного содержания щелочного затворителя и водо-твердого отношения, продолжительности помола сырьевых компонентов и прогрева изделий. Оптимизационные исследования позволили получить композиты с прочностью в 1,5-2 раза превышающей прочность бетонного лома, используемого в качестве сырья.

4. По результатам проведенных экспериментальных исследований обоснованы рекомендации по технологии получения заполнителя, оптимальным составам и технологическим режимам получения строительных

композитов с организованной макроструктурой с пониженной плотностью и теплопроводностью с применением отходов производства металлополимерных труб. Полученные композиты имеют прочность более 30 МПа и плотность в пределах от 700 до 1 350 кг/м3.

5. Разработаны технологические приёмы изготовления строительных материалов и изделий каркасной структуры и материалов направленного армирования на основе отходов металлополимерных труб. Методом математического планирования экспериментов получены уравнения регрессии, показывающие зависимости свойств материалов от условий объединения составляющих компонентов и их геометрических размеров в объеме материала.

6. Методом математического планирования эксперимента установлены зависимости влияния давления прессования, температурных факторов и гранулометрического состава наполнителей на физико-механические свойства композитов прессованных и каркасных шлако- и стеклонолимербетонов. Установлена повышенная водостойкость полимерных композитов, наполненных измельченным стеклобоем.

7. На основе производственного анализа современного состояния стройиндустрии определена перспективность использования разработанных материалов в качестве изготовления трехслойных стеновых панелей и каркасных полимербетонных покрытий. Реализация варианта использования заполнителей на основе отходов металлополимерных труб была выполнена на предприятии ОАО «Завод ЖБК-1» г. Саранска. Технология изготовления полимербетонных покрытий с применением стеклобоя рекомендована ОАО «Архстройпроект» для применения при устройстве защитных покрытий в производственных зданиях. Рассчитанная экономическая эффективность от применения в качестве заполнителя отходов металлополимерных труб в стеновых панелях и стеклобоя в полимербетонных покрытиях составила около 30%.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Губанов, Д. А. Строительные композиты на основе отходов производства металлополимерных водопроводных труб / Д. А. Губанов // Региональная архитектура и строительство. - 2012. - № 2 (13). - С. 60-63.

2. Физико-механические свойства каркасных полимербетонов на различных заполнителях / Д. А. Губанов [и др.] // Известия юго-западного государственного университета. Сер.: Техника и технологии. - 2013. - № 1. - С. 192-198.

Публикации в других изданиях:

3. Губанов, Д. А. Получение строительных композитов материалов контактно-конденсационного твердения из некондиционного бетона / Д. А. Гу-

банов, Д. А. Губанов, В. Т. Ерофеев // Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования : материалы VII всерос. науч.-практ. конф. с международ, участием. - Омск : СибАДИ, 2012. - Кн. 1. - С. 414-418.

4. Решение задачи вторичного использования бетона и железобетона по принципу получения композитов контактно-конденсационного твердения / Д. А. Губанов [и др.] // Актуальные вопросы строительства : материалы Шестой Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2007. - С. 2129.

5. Получение строительных композитов из некондиционного бетона с использованием технологии алюмосиликатно-щелочных вяжущих / Д. А. Губанов [и др.] // Актуальные вопросы строительства : материалы Шестой Междунар. науч.-техн. конф. — Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2007. -С. 1121.

6. Губанов, Д. А. Композиционные материалы контактно-конденсационного твердения с использованием отходов производства металлополимерных труб / Д. А. Губанов, Д. А. Губанов, А. Д. Губанов // Актуальные вопросы строительства : материалы Десятой Междунар. науч.-техн. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2011. - С. 139- 142.

7. Губанов, Д. А. Исследование стойкости композитов контактно-конденсационного твердения в агрессивных средах бактериального происхождения / Д. А. Губанов, Д. А. Губанов, Е. Г. Баргов // Материалы международной научно-технической конференции «Биотехнология начала III тысячелетия». - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2010. - С. 18-19.

8. Анализ структуры цементных материалов контактно-конденсационного твердения в процессе твердения и деградации / Д. А. Губанов [и др.] // Актуальные вопросы строительства : материалы междунар. науч.-техн. конф. -Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2010. - Ч. 1. - С. 69-74.

9. Губанов, Д. А. Строительные композиты с применением отходов трубопроводных материалов / Д. А. Губанов, Д. А. Губанов, В. Т. Ерофеев // Актуальные вопросы строительства : материалы междунар. науч.-техн. конф. -Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2010. - Ч. 1. - С. 61-63.

10. Исследование процессов структурообразования и деградации стеклощелочного вяжущего контактно-конденсационного твердения / Д. А. Губанов [и др.] // Актуальные вопросы строительства : материалы междунар. науч.-техн. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2010. - Ч. 1. - С. 18-22.

11. Использование принципов контактного твердения при получении строительных материалов на основе полимерных связующих и местных сырьевых ресурсов / Д. А. Губанов [и др.] // Актуальные вопросы строительства : материалы междунар. науч.-техн. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2009. - Ч. 1. - С. 7-10.

Губанов Дмитрий Александрович

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МЕСТНЫХ СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ

Специальность 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 01.07.2013. Объем 1,25 п. л. Тираж 110 экз. Заказ № 1353. Типография Издательства Мордовского университета 430000, г. Саранск, ул. Советская, 24

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.П. ОГАРЕВА»

На правах рукописи

Л/ <УП1 TZ.TE4 О Ut£.U I ¿UJJ i О

ГУБАНОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МЕСТНЫХ СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ерофеев Владимир Трофимович

Саранск 2013 г

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.........................................................................................5

1. Аналитический обзор литературы.......................................................9

1.1 Опыт использования промышленных отходов

в производстве строительных материалов................................................9

1.2. Опыт использования отходов строительной

отрасли при получении строительных материалов...................................20

1.3. Технологии изготовления строительных материалов

из отходов промышленного и строительного производства........................30

1.4. Выбор отходов промышленного и строительного производства

при выполнении диссертационного исследования.....................................38

1.5. Выводы по главе.................................................................................40

2. Цель и задачи исследований. Применяемые материалы и методы.............42

2.1. Цель и задачи исследований...........................................................42

2.2. Применяемые материалы..............................................................43

2.3. Методы исследований...................................................................45

2.4. Выводы по главе.........................................................................49

3. Разработка и оптимизация составов композиционных материалов на основе вторично

используемых бетонов.......................................................................50

3.1. Получение строительных композитов из вторичного бетона посредством использования технологии получения алюмо-

силикатно-щелочных вяжущих............................................................50

3.1.1. Теоретические предпосылки получения

алюмосиликатно-ще л очных вяжущих...................................................50

3.1.2. Оптимизация составов и технологии

получения композитов.......................................................................56

3.2. Получение строительных композитов из некондиционного бетона с использованием технологии контактно-

конденсационного твердения..............................................................67

3.2.1. Теоретические предпосылки для получения композитов по технологии контактно-

конденсационного твердения...............................................................67

3.2.2. Оптимизация составов и технологии получения композитов..............70

3.3. Выводы по главе........................................................................79

4. Строительные композиты на основе отходов

производства армированных полимерных материалов...............................82

4.1. Использование армированных полимерных материалов

в качестве крупного заполнителя композиционных материалов...................82

4.2. Использование отходов производства металлопластиковых

труб в качестве каркасных бетонов.......................................................95

4.3. Использование отходов производства металлопластиковых

труб в качестве элементов направленного армирования бетонов..................99

4.4. Выводы по главе.......................................................................103

5. Получение шлако- и стеклополимербетонов и производственное

внедрение результатов диссертационного исследоваания.........................105

5.1. Исследование прессованных и каркасных полимербетонов, наполненных шлаком и боем стекла..................................................105

5.1.1. Эпоксидные связующие для шлако- и стеклополимербетонов...........105

5.1.2. Оптимизация составов и технологии получения

прессованных шлако- и стеклополимербетонов.....................................108

5.1.3. Исследование композитов горячего прессования............................111

5.1.4. Оптимизация составов каркасных композитов................................114

5.2. Рабочие составы композитов, производственное внедрение и технико-экономическая эффективность результатов

диссертационного исследования........................................................117

5.2.1. Рабочие составы, рекомендуемые для внедрения............................117

5.2.2. Производственное внедрение исследований...................................119

5.2.3. Технико-экономическая эффективность применения разработанных материалов...............................................................122

5.3. Выводы по главе.......................................................................125

Основные выводы...........................................................................126

Список использованной литературы...................................................128

Приложения..................................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время удельная энергоёмкость внутреннего валового продукта в нашей стране в 2-3 раза превышает среднемировой показатель. Данная проблема в большей мере характерна для строительного производства, являющейся одной из наиболее энерго- и ресурсоёмких. При этом наиболее крупным потребителем энергетических ресурсов в строительном производстве занимают процессы, относящиеся к технологии создания строительных материалов. Экономия материальных и энергетических затрат достигается за счет применения ресурсосберегающих технологий предусматривающих широкое применение отходов промышленного и строительного производства. В этой связи разработка и получение эффективных композиционных материалов на основе местного сырья и отходов производства является актуальной, современной и значимой задачей. Широкое использование малоиспользуемых отходов стекла, бетонного лома, производства металлопластиковых труб позволяет решить более полно задачи охраны окружающей среды и ресурсосбережения, а также снизить затраты на изготовление строительных материалов.

Увеличение объема применения бетона и железобетона в строительстве и реконструкция зданий вызывают появление огромного количества отходов и некондиционной продукции. Однако вторичное использование бетона ограничено. В настоящее время утилизация данного вида отходов сводится к использованию бетонного лома в качестве крупного заполнителя. Наиболее перспективным решением проблемы повторного использования бетона является получение строительных композитов на его основе по технологиям алюмосиликатно-щелочных вяжущих и контактно-конденсационного твердения.

Бой стекла и шлак являются эффективными вторичными ресурсами, на основе которых можно получать связующие, растворы и бетоны. Используемые в настоящее время технологии изготовления строительных

материалов с применением этих отходов имеют высокую энергоемкость. Актуальным решением этой проблемы является получение полимерных материалов на основе стеклобоя по технологиям контактно-конденсационного твердения.

Значительное увеличение объемов производства металлополимерных труб вызывает появление нового вида отходов. В этой связи исключительно важными являются исследования, направленные на разработку технологий, оптимизацию составов и изучение свойств композиционных материалов на основе отходов производства металлопластиковых труб.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является научное обоснование методов и технологий получения эффективных строительных материалов и изделий с улучшенными эксплуатационными характеристиками на основе местных сырьевых ресурсов и отходов промышленности.

В целом задачи исследований состоят в следующем:

1. Обосновать выбор технологий по созданию материалов с применением некондиционной бетонной продукции, отходов стекла, шлаков, металлопластиковых труб и подобрать оптимальные технологические параметры получения композиционных материалов.

2. Установить закономерности структурообразования и оптимизировать составы композиционных строительных материалов на основе отходов промышленного и строительного производства, получаемых по технологиям алюмосиликатно-щелочных вяжущих, контактно-конденсационного твердения и технологии каркасных бетонов.

3. Исследовать влияние качественного и количественного состава и технологических параметров на свойства опытных образцов и установить основные физико-технические свойства композиционных материалов на основе отходов промышленного и строительного производства.

4. Получить количественные зависимости изменения физико-механических свойств композиционных материалов от различных структурообразующих факторов и воздействия кислотных и щелочных агрессивных сред.

Научная новизна работы.

Установлены закономерности технологии получения эффективных строительных композитов из вторичного бетона по технологиям алюмосиликатно-щелочных вяжущих и контактно-конденсационного твердения.

Определены закономерности изменения структуры и свойств каркасных полимерных композитов и материалов контактно-конденсационного твердения на основе шлака и стеклобоя в соответствии с математическими моделями в зависимости от зернового состава заполнителей и технологических условий.

Подтверждена возможность получения строительных композитов и изделий на их основе с применением отходов производства металлополимерных труб по различным технологиям.

Практическая значимость работы.

• Предложить составы композиционных материалов из вторичного бетона, полученных по технологиям алюмосиликатно-щелочных вяжущих и контактно-конденсационного твердения. Получены составы композитов, имеющих прочность не ниже прочности утилизируемых бетонов.

• Получены эффективные составы полимерных композиционных материалов на основе отходов стекла и шлака с применением каркасной технологии и использования контактно-конденсационного твердения.

• Выявлены оптимальные технологические режимы получения строительных композитов и изделий на их основе с применением отходов производства металлопластиковых труб.

Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: ежегодных научно-технических конференциях: XII научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета имени Н.П. Огарева, 2007 г., Шестой Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства», Саранск, 2007 г., VII всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования, Омск, СибАДИ, 2012.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 статьи опубликованы в журналах из перечня ВАК.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены лично автором. Им сформулированы цели и задачи исследования, обоснованы теоретические положения, выполнены экспериментальные исследования, их анализ и обобщение, раскрывающее научную новизну и подтверждающее ее практическую значимость.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 135 наименований. Она изложена на 140 страницах машинописного текста, включает 26 рисунков, 30 таблиц, 4 приложения.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Строительных материалов и технологий» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва».

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Опыт использования промышленных отходов в производстве

строительных материалов

В современных условиях все более актуальное значение приобретает проблема утилизации отходов. Ее решение предполагает разработку эффективных безотходных технологий за счет комплексного использования сырья. При комплексном использовании сырьевых материалов промышленные отходы одних производств являются исходными сырьевыми материалами других.

Использование промышленных отходов позволяет в этом случае обеспечить строительное производство богатым источником дешевого сырья; снизить затраты на транспортные расходы, связанные с доставкой требуемого сырья к месту производства, энергозатраты на его дополнительную обработку; решить задачи охраны окружающей среды, освободить ценные земельные угодья, занимаемые под отвалы и шламохранилища, устранить вредные выбросы в окружающую среду.

Одна из наиболее перспективных отраслей-потребителей промышленных отходов - отрасль строительных материалов. Это объясняется неуклонным увеличением объема использования промышленных отходов в производстве строительных материалов в России и других развитых странах мира.

Вопросам технологии получения строительных материалов с применением промышленных отходов посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных авторов.

К перечню эффективных вторичных ресурсов, которые могут быть использованы для производства разнообразных строительных материалов, можно отнести: шлаки, получаемые в качестве побочного продукта при

выплавке чугуна из железных руд; отходы стекла, образуемые на заводах лампового производства и из стеклотары; бетонный лом, образуемый из некондиционного бетона; металлопластиковые изделия, образуемые из металлополимерных труб.

В 1911 году в отчете компании «Карнеги Стил» - «Использование доменного шлака в производстве бетона» впервые обоснованно говорилось о возможности использования доменного шлака в производстве бетона. К 1917 году стало очевидно, что шлак является ценным продуктом, и что компаниям -производителям шлака стоит объединиться для более эффективного продвижения нового продукта. В 1918 году в США была создана Национальная Шлаковая Ассоциация. В 1919 году в США существовало 14 компаний - производителей шлака, которым принадлежало 32 завода [119].

В нашей стране доменные шлаки стали применять как сырье для производства стеновых камней с 1865 года [92]. В 90-х годах XIX века набивным способом были построены первые крупные здания из шлакобетона. В 1913-1914 гг. в Днепропетровске был выстроен первый завод шлакопортландцемента. Примерно в то же время производство его было организовано на Косогорском металлургическом заводе в Туле.

За все время существования человечества доменный шлак прошел путь от использования в дорожном строительстве (в качестве агрегата) в Античном Риме до ценного строительного материала с разнообразными сферами применения в наше время. Сейчас шлак находит широкое применение в строительной индустрии, включая: производство гранулированного доменного шлака, смешанного (многокомпонентного цемента), монолитного и конструкционного бетона, асфальтобетона, гранулированного заполнителя, минеральной ваты, кровельного материала, стекла и много другого.

Основным потребителем доменных шлаков является цементная промышленность. Шлак применяют как компонент сырьевой смеси и как активную минеральную добавку. Экономическая эффективность применения

гранулированного шлака в качестве активной минеральной добавки в цемент в несколько раз выше, чем в качестве сырьевого компонента. Как сырьевой компонент целесообразнее применять отвальные шлаки, ресурсы которых весьма велики [51]. К преимуществам технологии производства цемента на основе металлургического шлака относятся: простота, экономичность технологического процесса и используемого оборудования; использование в качестве сырья промышленных отходов (дешевизна, устранение загрязнений окружающей среды); пониженные энергозатраты и удельные капиталовложения; небольшая мощность производства позволяет сократить срок между изготовлением и использованием цемента, устраняя тем самым его дезактивацию (нормативный срок хранения свежего портландцемента - 3 месяца); возможность выпуска цементов с повышенной скоростью твердения; возможность производства широкой гаммы цветных цементов с незначительным увеличением себестоимости продукции; гибкость производства, возможность быстрого перехода к выпуску других видов и марок цементов.

Шлакопортландцемент получают путем совместного тонкого измельчения клинкера и высушенного гранулированного доменного шлака или тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных отдельно. Его эффективно применяют для бетонных и железобетонных конструкций наземных, подземных и подводных сооружений.

В Германии выпускают шлакопортландцемент под названием «железопортландцемент» (до 30% шлака) и «доменный цемент» (31-85% шлака). Во Франции наиболее распространенными является металлургический цемент, содержащий 65-75% шлака, и доменный цемент, содержащий 65-75% шлака. Бельгийский способ получения шлакопортландцемента («процесс Триф») предусматривает мокрый помол шлаков и последующее смешивание шлакового шлама в бетономешалке с портландцементом и заполнителями. В этом случае исключаются затраты на высушивание шлака [46].

Сульфатно-шлаковый цемент получают путем совместного тонкого помола грану�