автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Строительные композиты на основе цементной пыли с пониженным содержанием цемента

мордовский государственный университет

им. н.п.огарева

На правах рукописи

лаптев владимир геннадьевич

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТНОЙ ПЫЛИ С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЦЕМЕНТА

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Б.М. Люпаев кандидат технических наук, доцент А. П. Федорцов

Саранск 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. НАПОЛНЕННЫЕ ЦЕМЕНТНЫЕ КОМПОЗИЦИИ..................................8

1.1. Теоретические предпосылки наполнения. Виды наполнителей..................................................................................................... 8

1.2. Обоснование выбора материалов, применяемых в качестве наполнителей в цементных композициях.................................... 13

1.3. Цементная пыль вращающихся печей и её применение.................................................................................................... 14

1.4. Рабочая гипотеза, цель и задачи исследований............................ 19

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.............................. 21

2.1. Материалы и их свойства............................................................... 21

2.2. Методы исследований..................................................................... 24

2.3. Математические методы анализа экспериментальных данных.................................................................................................... 28

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ

КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО

СВЯЗУЮЩЕГО.......................................................................................... 31

3.1. Закономерности формирования структуры цементных композиций............................................................................................ 31

3.2. Работа разрушений бетонов на комплексном связующем................................................................................................... 34

3.3. Анализ усадочных процессов в композиционных строительных материалах (КСМ).................................................................. 36

3.4. Влияние технологических параметров на физико-механические характеристики КСМ............................................ 39

3.5. Теоретическое обоснование химической стойкости бетонов

с пониженным содержанием цемента.......................................... 44

3.6. Выводы........................................................................................... 47

4. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНЫХ СВЯЗУЮЩИХ И

КОМПОЗИТОВ НА ИХ ОСНОВЕ......................................................... 48

4.1. Зависимость физико-механических характеристик цементного камня от степени наполнения и дисперсности наполнителей................................................................................................. 48

4.2. Исследование кинетики изменения прочностных и деформа-тивных свойств комплексных связующих от степени влажности цементной пыли....................................................................... 59

4.3. Разработка "тощих" бетонов для дорожного строительства... 64

4.4. Разработка составов песчаного бетона с пониженным содержанием цемента........................................................................ 70

4.5. Разработка составов для изготовления безобжигового кирпича на основе диатомита................................................................. 77

4.6. Разработка составов шлакобетона с пониженным содержанием цемента................................................................................... 84

4.7. Исследование микроструктуры разработанных составов диа-томитового кирпича и шлакобетона............................................ 92

4.8. Выводы............................................................................................ 105

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИТОВ С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЦЕМЕНТА................................................................................................ 106

5.1. Исследование водостойкости композитов на комплексных связующих........................................................................................ 106

5.2. Водопоглощение разработанных композитов............................ 111

5.3. Исследование морозостойкости разработанных композитов

на комплексных связующих.......................................................... 115

5.4. Исследование теплопроводности разработанных композитов

на комплексных связующих.......................................................... 117

5.5. Перспективы использования разработанных композитов в строительстве................................................................................... 118

5.6. Выводы........................................................................................... 119

6. ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНЫХ СВЯЗУЮЩИХ...................................... 120

6.1. Технология изготовления шлакобетонных блоков.................... 120

6.2. Исследование прочностных характеристик шлакоблоков в условиях эксплуатации.................................................................. 123

6.3. Производственное внедрение "тощих" бетонов в дорожном строительстве................................................................................... 126

6.4. Исследование физико-механических свойств "тощих" бетонов в условиях эксплуатации......................................................... 130

6.5. Технология изготовления безобжигового кирпича.................... 133

6.6. Расчет экономической эффективности применения "тощих" бетонов в качестве основания дорожных одежд........................ 143

6.7. Выводы........................................................................................... 147

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..................................................................................... 148

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................. 151

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................................... 162

ВВЕДЕНИЕ

Бетон известен с древних времен, но свое победное шествие он начал более 100 лет назад, со времени изобретения его главного компонента -портландцемента. Применение цементного бетона во всех странах достигло больших масштабов и с каждым годом расширяется. Сейчас настала пора, когда от бетона потребовались высокая прочность и долговечность.

Серьезной проблемой становится его дороговизна из-за больших затрат на транспортировку высокопрочных заполнителей, которые отсутствуют во многих регионах России, в том числе в Мордовии, и высокой стоимости цемента, производство которого остается одним из самых энергоёмких процессов. Поэтому все интенсивнее идут поиски новых материалов на основе смешанных вяжущих для изготовления прочных, легких и долговечных конструкций.

Существует несколько путей решения этой проблемы. Первый - экономия цемента за счет широкого использования минеральных наполнителей; второй - разработка цементных бетонов с высокими прочностными показателями; третий - применение химических добавок и технологических приемов с целью увеличения потенциальной активности бетона и снижения расхода основного вяжущего; четвертый - использование местных материалов и побочных продуктов промышленности, одновременно решая серьезную экологическую задачу, так как объемы отходов и побочных продуктов у нас в стране растут в два-три раза быстрее, чем темпы роста производства. Растущая стоимость энергоресурсов, сырья и транспортных услуг в сочетании с большой энергоемкостью существующих технологий в последнее время приводят к удорожанию и невостребованности изделий, что приводит к спаду промышленного производства, в том числе производства строительных материалов.

Быстро растущие объемы отходов и побочных продуктов загрязняют природу, их токсичные компоненты отравляют землю, воздух, реки и озера.

Тратятся большие средства на их вывоз и захоронение. В то же время еще большие материальные средства мы расходуем на добычу природного сырья, без которого можно было бы обойтись если использовать крупнотоннажные отходы.

В таких условиях актуальной задачей становится разработка ресурсосберегающих технологий, переориентация промышленности строительных материалов на использование в первую очередь вторичных ресурсов. Производственные процессы должны быть экологически чистыми и малоэнергоемкими.

Не менее актуальным следует считать переход на местные побочные отходы промышленности и материалы. Из промышленных отходов на территорий Мордовии распространены металлургические ваграночные шлаки завода "Центролит" и цементная пыль Алексеевского цементного завода. Из природных материалов - диатомиты Атемарского месторождения, опоки, известняки и местные пески.

Предлагаемый в данной работе метод использования указанных материалов позволяет снизить себестоимость изделий из-за отказа от энергоёмкой операции помола и снижения расхода цемента в несколько раз. Рецепты составов и технологии, предложенные в данной работе не требуют реконструкции предприятий по изготовлению бетонов различного назначения и могут быть внедрены в широком масштабе в регионах функционирования цементных заводов.

На защиту выносятся:

- выявленные закономерности активизации цементной пыли небольшим количеством цемента;

- результаты исследований взаимодействия комплексного связующего с кислыми ваграночными шлаками и диатомитами;

- результаты исследования процессов взаимодействия, твердения и механизма синтеза прочности в системах "шлак - цементная пыль - цемент", "диатомит - цементная пыль - цемент", "песок - известняк - цементная пыль

- цемент";

- результаты исследований процессов взаимодействия, твердения и механизма нарастания прочности в системах "заполнители - цементная пыль -цемент".

- результаты исследования микроструктуры, физико-механических свойств материалов по результатам семилетних наблюдений.

Научная новизна работы состоит в разработке метода активации цементной пыли небольшим количеством портландцемента и диатомита, а так же в экспериментальном и теоретическом обосновании применения этих составляющих для уменьшения средней плотности строительных композитов.

Новизна работы подтверждается следующими результатами:

- выявлены закономерности взаимодействия и активизации цементной пыли небольшими добавками цемента;

- выявлен механизм взаимодействия комплексного связующего с кислыми ваграночными шлаками и диатомитами;

- проведены исследования процессов взаимодействия, твердения и механизма синтез^ прочности в системах "шлак - цементная пыль - цемент" и "диатомит - цементная пыль - цемент";

- установлен факт химического взаимодействия компонентов и выявлен механизм нарастания прочности композитов по результатам семи летних наблюдений;

- созданы эффективные строительные материалы и разработана технология их получения.

Практическое значение работы:

- разработана технология производства материалов на основе шлака, диатомита и местных песков с использованием комплексного связующего;

- отработаны технологические режимы изготовления изделий на основе шлака и диатомита, а также "тощих" дорожных бетонов;

- проведена оптимизация составов, исходя из закономерностей нарастания прочности со временем, позволяющая снизить расход цемента в не-

сколько раз;

- разработана рецептура и технология изготовления лёгкого кирпича на основе диатомита и дорожных бетонов с использованием местных песков и известняков;

- создан участок изготовления шлакоблоков и безобжигового лёгкого кирпича и выпущено около 5 млн. штук изделий.

Реализация работы. Разработанные составы шлакобетонов на основе комплексного связующего, получили опытно-промышленное внедрение в АО "Луховский", где был создан производственный участок по изготовлению шлакоблоков размером 390x190x170 мм. Составы дорожных бетонов были внедрены Чамзинской МПМК - 2 при строительстве участка автомобильной дороги длиной 300 м. Безобжиговые кирпичи на основе диатомита размером 300x150x90 мм изготавливались на КПП треста "Мор довсельстрой".

Апробация работы. По результатам исследований были сделаны доклады на следующих научных конференциях "Современные технологии и материалы при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог" (г. Суздаль, 1994г.), "Экономия энергии при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог и производстве строительных материалов" (г. Суздаль, 1995г.), Международной научной конференции "Долговечность строительных материалов и конструкций" (г. Саранск, 1995г.), Международной научно-технической конференции (II Академические чтения) "Современные проблемы строительного материаловедения" (г. Казань, 1996г.), Международной научно-технической конференции (IV Академические чтения) "Актуальные проблемы строительного материаловедения" (г .Пенза, 1998г.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованных источников из 114 наименований, изложена на 164 страницах машинописного текста. Она включает 50 рисунков, 53 таблицы и приложения.

1 НАПОЛНЕННЫЕ ЦЕМЕНТНЫЕ КОМПОЗИЦИИ

1.1.Теоретические предпосылки наполнения. Виды наполнителей.

Первостепенной задачей современного строительного материаловедения является создание дешевых, эффективных материалов с использованием местных материалов и побочных продуктов производства с заранее заданными свойствами и рациональных технологий их получения. В этой связи наиболее перспективно получение материалов путём наполнения цементных композиций отходами производств и местными горными породами.

К наполнителям относят дискретные структурные элементы произвольного вида, формы и поверхностной активности, размер которых не позволяет создавать им собственные значительные поля деформаций и напряжений в окружающем материале, но способствуют их участию в создании структуры через контакты взаимодействия [8,53,56]. При этом наполнители могут быть химически активными и химически инертными [14,36,37,42,88].

В настоящее время ведутся исследования о возможности применения в цементных композициях карбонатов кальция, известняка, кварцевого песка и других побочных продуктов производства. В работе [59] отходами на основе карбоната кальция в качестве наполнителя заменили до 30% цемента, применяя интенсивную раздельную технологию. Наполнению цементных композиций белемнитом (продуктом отложения моллюсков, состоящий в основном из СаС03) и золой посвящена работа [44]. Без снижения прочности достигнута экономия цемента до 30%. Влияние малых добавок кварцевого песка, известняка и золы - уноса исследовалось в работе [77], а диатомита и цементной пыли в работах [47,79]. Отмечается, что оптимальное наполнение составляет 30% от массы цемента. Дальнейшее увеличение наполнения приводит к повышению В/Ц и падению прочности. Для приготовления также использовался скоростной смеситель турбулентного типа.

В работах [2,3,4,48,51] в качестве наполнителей использовали нефелиновый шлам, цементную пыль. Комплексные добавки к цементу исследовали в работах [5,1,6]. К ним относятся отработанные формовочные смеси (ОФС), отходы производства ферросилиция (ОПФ).

Исследователями [9,18, 88, 90] отмечается химическая активность минеральных наполнителей, таких как шлаки. Как правило, это кислые и ультракислые шлаки, со значительным количеством стекловидной фазы и с большим содержанием 8Юг- Количество СаО и М^О незначительно. Кристаллическая фаза ваграночных шлаков представлена анортитом, перовски-том.

Фазовый состав и структура ваграночных шлаков зависят от химического состава и скорости охлаждения. Согласно ионной теории О.А. Есина, жидкий расплав шлака микронеоднороден и состоит из простых катионов

Л [ ^ 1 ^ |

(Са , М^ , Иа , Мп , и др.), анионов кислорода и серы, а также анионов соединений кремния, фосфора и алюминия, которые связываются с атомами кислорода ковалентными связями [(8Ю4)4", (АЮ4)5 и т.д.]. Такие микронеоднородные группы фиксируются в шлаковом стекле путем быстрого охлаждения (грануляции).

В существующих теориях строения шлакового стекла общим является допущение о многофазности и микронеоднородности стекловидного вещества. Наряду с этим имеются области близкие к кристаллическим решеткам по строению и упорядоченности, называемые кристаллитами. Основные оксиды концентрируются в кристаллитах, что снижает основность шлака, имеющего глиноземисто - кремнеземистый состав.

Химическая метастабильность и связанная с ней гидравлическая активность шлака зависят от многих факторов - температуры шлакового расплава перед охлаждением, его химического состава, скорости грануляции, вида охлаждающего агента (вода, воздух, пар) [62].

Исходя из этого, можно сделать вывод, что гидравлическая активность шлака определяется химическим, минералогическим составом и соотноше-

нием кристаллической и стекловидной фаз.

Работы ученых МИИТа [23,24], МИСИ [37,14,82,12], НИИЖБа [26,27] показали, что использование шлаков позволяет управлять качественным и количественным составами новообразований.

Актуальной остается задача получения долговечных строительных материалов с определенным уровнем свойств при пониженных расходах цемента. Решение этой задачи позволит без увеличения объема производства вяжущих увеличить объем производства дешевых строительных материалов и изделий.

Теоретические предпосылки наполнения цементного теста базируются на принципах полиструктурной теории композиционных строительных материалов (КСМ) В.И. Соломатова [66, 69, 70]. Показано, что гидратация цемента происходит не полностью, и ядра цементных зерен в цементном камне сохраняются длительное время. До создания благоприятных условий их твердения они выполняют роль наполнителей, а затем, гидратируясь, повышают прочность цементного камня. �