автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Свойства и технология эффективных строительных композитов с использованием конвертерных шлаков

На правах рукописи

Шаталов Геннадий Анатольевич

СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНВЕРТЕРНЫХ ШЛАКОВ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НШ 2014

Волгоград-2014

005554581

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Гончарова Маргарита Александровна.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Ярцев Виктор

Петрович, заведующий кафедрой «Конструкции зданий и сооружений» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет»;

кандидат технических наук, доцент Пушкарская Ольга Юрьевна, доцент кафедры «Строительство» Волжского института строительства и технологий, филиала федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего

профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный

университет».

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет».

Защита состоится «24» декабря 2014 г. в 10-00 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 «Л^ » октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Акчурин Т.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. В настоящее время на таких российских металлургических предприятиях, как ОАО «Новолипецкий МК», ОАО «Северсталь», «Магнитогорский МК», ОАО «Нижнетагильский МК», ОАО «Западно - Сибирский МК», ОАО «Челябинский МК» и других, около 60% всей стали выплавляется по эффективной конвертерной технологии. Российское конвертерное производство состоит из восьми цехов с 22 конвертерами. Последнее время наблюдается устойчивая тенденция существенного увеличения выплавки кислородно-конвертерной стали.

Конвертерные шлаки являются отходами сталеплавильных процессов. Они имеют достаточно сложный химический и минеральный состав, так как состоят из оксидов, силикатов, сульфидов, примесей, образующихся при взаимодействии с кислородом сырья - чугуна и металлического лома, шлакообразующих, миксерного и доменного шлака, а также остатков футеровки плавильного оборудования. На одном металлургическом комбинате выход сталеплавильных шлаков может составлять несколько миллионов тонн в год. А в мире количество образующихся в год шлаков, требующих утилизации, вырастает до несколько сотен миллионов тонн.

Проблема эффективного использования конвертерных шлаков до сих пор не решена. Ситуация осложняется тем, что в будущем прослеживается тенденции к увеличению образования таких отходов. Тем более, что для того, чтобы произвести одну тонну стали необходимо вовлечь в технологический процесс около десяти тонн природных ресурсов.

При решении проблемы использования конвертерных шлаков в строительной индустрии могут быть решены сразу две актуальные задачи: обеспечение техногенным сырьем производства новых и традиционных материалов и изделий и устранение негативного воздействия отходов на окружающую среду в случае их не востребованности и необходимости хранения и складирования.

Конвертерные шлаки могут найти широкое применение в качестве сырьевых ресурсов, только преодолев ряд технологических особенностей такого рода материалов: с одной стороны - низкая активность препятствует синтезу шлаковых вяжущих веществ, с другой - нестабильность строительно-технических свойств, неустойчивость структуры, большое количество металлических примесей не дает оснований рассматривать вовлечение шлаков в составы бетонов в качестве инертных заполнителей и наполнителей. В настоящее время повлиять на эти недостатки существенным образом не представляется возможным, так как потребуется вмешательство в технологию производства стали, что повлияет и на целевую продукцию металлургии.

Тем не менее, этими вопросами занимались как металлурга, так и технологи. Внедренные разработки по использованию конвертерных шлаков касались в основном дорожного строительства. За пределами рассмотрения оказались полимерные композиции, малоклинкерные и бесклинкерные вяжущие и бетоны на их основе, а также тяжелые бетоны с оптимальной гранулометрией. Таким образом, в настоящих диссертационных исследованиях реализуется научный комплексный подход к утилизации конвертерных шлаков, являющихся дешевым

(около 12 рублей за 1 тонну) и в то же время эффективным сырьем для применения их в стройиндустрии.

В соответствии с этим целью диссертационного исследования является оптимизация свойств и разработка технологии эффективных строительных композитов с максимальным раскрытием строительно-технического потенциала конвертерных шлаков на основе научного материаловедческого подхода.

Степень разработанности проблемы. В работах Боженова П. И., Калашнникова В. И., Грызлова В. С., Дворкина Л. И., Баженова Ю. М., Корнеева А. Д., Гончаровой М. А., Копейкина А. В. установлено, что практическое применение конвертерных шлаков должно использовать их самостоятельную роль в структурообразовании строительных материалов, а также на сочетание их с традиционными вяжущими веществами. При этом рассматривалась возможность вовлечения силикатной и металлической составляющих конвертерных шлаков разной дисперсности в конструирование материалов и изделий разного назначения.

Перспективным представляется направление использования шлаков конвертерного производства стали в производстве теплоизоляционных жестких пенопластов, в частности пенополиуретанов, для улучшения их строительно-технических свойств, в том числе для повышения коэффициента конструктивного качества, снижения горючести и снижения стоимости готовой продукции. Кроме того, решение региональной проблемы отсутствия тяжелых плотных заполнителей может быть найдено с помощью эффективной переработки конвертерных шлаков. Известно, что конвертерные шлаки текущего выхода (до переработки) имеют в своем составе до 18% металла. На сегодняшний день не представляется возможным полностью отделить силикатную составляющую от металлической. Поэтому зашлакованный скрап после удаления чистого металла может использоваться при производстве не только в качестве ферромагнитных частиц в герметизирующих эпоксидных композициях, но и в составах тяжелых и особо тяжелых бетонов.

Исходя из такой постановки проблемы, объектами исследований принимаются:

- шлаки конвертерного производства, требующие уточнения их структурообразующей роли посредством современных методов исследований техногенного сырья;

- эффективные строительные композиты с использованием разработанных шлаковых многокомпонентных вяжущих и зернистых конвертерных шлаков.

Научная концепция. Тонкодисперсные конвертерные шлаки можно использовать в составах композиционных вяжущих веществ из-за их самостоятельной активности и за счет специальных целенаправленных приемов активации. Разработанные вяжущие вещества можно соединить с зернистыми шлаками, что позволяет конструировать структуры новых эффективных композитов, в которых минимизированы негативные свойства такого техногенного сырья.

Цель диссертационного исследования и принятая ведущая научная гипотеза диктуют следующие задачи диссертационной работы:

1. Выявить, проанализировать и систематизировать основные характеристики конвертерных шлаков для реализации максимального проявления их строительно-технического потенциала при производстве эффективных строительных

композитов (на примере конвертерных шлаков Новолипецкого металлургического комбината).

2. Обосновать подходы к проектированию строительных материалов и изделий на основе конвертерных шлаков через систему критериев эффективности строительных композитов.

3. Предложить и обосновать технологию переработки конвертерных шлаков, позволяющую их использование в качестве сырья в стройиндустрии.

4. Экспериментально определить прочность вяжущих композиций на основе конвертерных шлаков. Оптимизировать свойства матричных компонентов за счет известных и новых способов и приемов активации шлаковых частиц.

5. Оптимизировать строительно-технические свойства композитов на основе конвертерных шлаков.

6. Разработать и внедрить инженерные решения в области производства строительных композитов широкого спектра с использованием шлаков.

Связь работы с научными программами фундаментально-ориентированных и прикладных исследований. Работа выполнена при финансовой поддержке со стороны Минобрнауки России в рамках базовой части НИР №496 «Свойства и технология эффективных строительных композитов на основе техногенного сырья» (2014 - 2016 гг.).

Научная новизна работы.

1. Установлено, что конвертерные шлаки могут выступать в роли гидравлически активных компонентов в вяжущих композициях, а также в роли нестандартных наполнителей и заполнителей, существенно изменяющих свойства строительных композитов.

2. Предложен метод определения металлической составляющей конвертерных шлаков, на основе которого обоснованы наиболее перспективные способы переработки конвертерных шлаков.

3. Доказано, что активность конвертерных шлаков реализуется за счет входящих в состав минералов - двухкальциевого силиката (СгЗ) (3- модификации (лар-нита) и четырехкальциевого алюмоферрита (С4АБ). При этом создание условий максимального сближения частиц увеличивает прочность шлакового вяжущего.

4. Предложены способы активации конвертерных шлаков, заключающиеся в прессовании под давлением в 100- 120 МПа тонко дисперсной силикатной составляющей шлаков (удельной поверхностью 400 см2/г) с аспирационной пылью ферросплавного производства (микрокремнеземом), а также в введении в состав вяжущего из шлаков до 10 % жидкого стекла.

5. На основе принципов кислотно-щелочного и контактно-конденсационного взаимодействия оптимизированы составы многокомпонентных вяжущих веществ на основе конвертерных шлаков.

6. Установлена возможность наполнения пенополиуретановых композиций активированными конвертерными шлаками и микрокремнеземом, обеспечивающая улучшение эксплуатационных характеристик (горючесть, технологичность, долговечность).

7. Предложены способы создания контактной структуры бетонов, плотность которых за счет оптимизации гранулометрического состава шлаковых смесей достигает 3100 кг/м3.

Теоретическая и практическая значимость и реализация работы:

1. Предложена схема переработки конвертерных шлаков, позволяющая использовать их в качестве вторичного сырья в строительной индустрии и в дорожной отрасли.

2. Разработаны составы вяжущих на основе конвертерных шлаков после измельчения и пневмосепарации, на основе которых может быть получен широкий спектр материалов и изделий различного назначения.

3. Разработаны математические модели строительно-технических свойств вяжущих материалов контактно-конденсационного твердения на основе конвертерных шлаков, которые позволяют варьировать наиболее важные технологические факторы (количество связки, тонкомолотых активных наполнителей, удельную поверхность шлаков, а также давление прессования и другие).

4. В результате наполнения пенополиуретановой композиции комплексными тонкомолотыми минеральными добавками получен эффективный теплоизоляционный материал, отличающийся низкой горючестью, высокой технологичностью и долговечностью.

5. Опробована и экономически обоснована технология изготовления кровельных материалов, сочетающая в себе технологию изготовления металлических элементов кровельного ковра и нанесения на них наполненного пенополиуретано-вого покрытия.

6. Принципы создания контактной структуры реализованы на ООО «ДСП-1», при проектировании составов тяжелых бетонов для бордюров и элементов мощения дорог на основе конвертерных шлаков в количестве 300 м3 и отработке технологии их изготовления.

Результаты исследований внедрены на предприятиях стройиндустрии Липецкого региона (ООО «ДСП-1», ООО «Промполимер» и ООО «Спецмехстрой). Общий экономический эффект при этом составил полтора Миллиона рублей. Научные и практические разработки диссертационных исследований внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Липецкий ГТУ» для инженеров и бакалавров направления «Строительство». Разработанные технологии были использованы в курсовом и дипломном проектировании для студентов профиля «Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций».

Методология и методы исследований

Проблема утилизации конвертерных шлаков в новой постановке решалась за счет принципов комплексности и системности, применялись фундаментальные подходы раскрытия механизмов структурообразования композитов, современное техническое оснащение исследований, направленных на достижение практических результатов. Использовался комплекс физико-химических методов изучения структур материалов, методика комплексной оценки их свойств и методы вероятностно-статической обработки результатов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Систематизация характеристик конвертерных шлаков, позволяющая раскрыть их сырьевой потенциал в сконструированных строительных композитах.

2. Систему критериев эффективности строительных композитов на основе конвертерных шлаков.

3. Приемы физико-механической и физико-химической активации конвертерных шлаков.

4. Математические модели свойств многокомпонентных вяжущих на основе конвертерных шлаков.

5. Инженерные решения, позволяющие внедрить технологию строительных материалов и изделий широкой номенклатуры с использованием шлаков.

Степень достоверности и апробация результатов. Результаты проведенной работы представлены и обсуждены на международной конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре» (Липецк, 2009 г.), на II Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо-энергоэффективные технологии в строительном комплексе региона» (Саратов, 2012 г., 2013 г.), на ежегодных научно-практических конференциях ЛГТУ (2009 - 2014 гг.) и др.

Достоверность диссертационных исследований обеспечена за счет методически правильной постановки' экспериментов, достигается статистической обработкой данных с определенной вероятностью при достаточном количестве испытаний, подтверждается сопоставлением методик и результатов разных авторов.

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 16 научных трудах, из них 8 патентов и 3 статьи опубликованы в ведущих рецензированных изданиях.

Личный вклад автора. Результаты работы получены или лично автором, или в рамках руководства исследованиями, в которых формулировка проблемы, целей и задач исследований, планирование и проведение экспериментов, анализ и обобщение результатов принадлежат автору. Во всех работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежит научная новизна работы, результаты экспериментальных исследований и прикладные инженерные предложения в области улучшения существующих технологических процессов.

Объем и структура работы. Настоящие исследования содержат 166 страниц машинописного текста (с приложениями). Работа состоит из введения, пяти глав и выводов. Диссертация включает 32 рисунка и 21 таблицу. Список литературы состоит из 276 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследований, сформулированы цели, задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения, которые автор выносит на защиту.

В первой главе приведен обзор научных работ, посвященный изучению возможностей использования техногенных материалов, и в частности, конвертерных шлаков, при производстве эффективных строительных композитов. Проведенный анализ свойств шлаковых материалов, применяемых в стройиндустрии в России и за рубежом, позволил выявить их недостатки и направления совершенствования. Установлено, что в каждом конкретном случае необходимо тестировать строительно-технические свойства шлаков и на основе их анализа диагностировать области применения в качестве сырьевых материалов.

Анализ перспективности исследований, проведенный совместно со специалистами НЛМК, выявил, что конвертерный шлак можно рассматривать в двух состояниях: 1) шлак текущего выхода, прошедший переработку в виде извлечения металлических примесей и фракционирования; 2) шлак стабилизированной структуры, который был переработан и выдержан на заводской

площадке. Это позволило определить наиболее востребованные направления использования конвертерных шлаков (рисунок 1).

При этом производство материалов на основе конвертерных шлаков не должно быть ориентировано только на замену традиционного сырья без адаптации технологических параметров Изменения в существующих заводских технологиях могут относиться как к требованиям к составу и к состоянию отходов, так и к подготовительным операциям, служащим для приобретения максимально удобного с технологической точки зрения состояния. Кроме того, должны быть разработаны составы сырьевой смеси, адаптированные к химическому, минералогическому и гранулометрическому составу сырьевых компонентов.

Рисунок 1 - Перспективные области использования конвертерных шлаков, принятые как объекты исследования

Известно, что строительный композит на основе конвертерных шлаков обладает определенной совокупностью строительно-технических свойств. Они формируют интегральный показатель эффективности нового материала. В общем виде интегральный показатель эффективности композита можно рассчитать следующим образом:

Э = Яэь э2,.., э„), (1.1)

где характеристики сь с2, ..., сп - это показатели функциональной эффективности (прочность, долговечность, специальные свойства).

После этого в расчет включают критерии экологической безопасности и экономической эффективности производства.

Проблема использования конвертерных шлаков является актуальной на современном этапе, так как от ее решения во многом зависит возможность создания в регионе с развитой металлургической промышленностью территориально-промышленного комплекса, функционирующего для рационального потребления природных и техногенных ресурсов, а также для минимизации негативного влияния на окружающую среду.

Оптимизационные задачи в такой постановке решаются с применением простых, комплексных, технических и технико-экономических критериев

оптимальности. Критерии оптимальности должны быть или минимизированы, или максимизированы в рамках конкретных производственных ограничений (расход ресурсов, технологические параметры, энергоемкость, себестоимость и другие) (рисунок 2).

Эффективностьстроительмого композита

Рисунок 2 - Критерии эффективности строительных композитов

На основе выполненного литературного и патентного анализа установлено, что направлениями использования конвертерных шлаков являются вяжущие композиции на основе тонкодисперсных активных наполнителей, наполненные ППУ - на основе неактивных, тяжелые и особо тяжелые бетоны - на основе зернистых.

Проведенный анализ позволил определить цели, задачи диссертационной работы и обосновать ее актуальность.

Во второй главе приведены характеристики используемых материалов и оборудования, а также применяемые методы исследований.

Основным сырьевым материалом, который должен быть максимально использован в стройиндустрии, является конвертерный шлак.

Конвертерные шлаки имеют сложное структуру конгломератного типа, при этом их свойства определяются соотношением силикатной и металлической составляющих. На свойства конвертерных шлаков непосредственно влияет сформировавшаяся из шлакового расплава структура. Управлять этими процессами можно с помощью изменения условий кристаллизации, реализующимися при первичной переработке шлаков в твердом состоянии.

Основные строительно-технические свойства конвертерных шлаков следующие: истинная плотность находится в пределах от 3,5 до 3,6 г/см , в то время как средняя плотность варьируется от 3,1 до 3,4 г/см3, насыпная плотность составляет около 1800 кг/м3. Структурные параметры имеют еще большие колебания: пористость изменяется от 4,5 до 10,2 %, пустотность составляет около 50 %, водопоглощение - 1,5 - 2,6%, дробимость от 13 до 18 %, количество металлических примесей зависит от состояния шлаков и существенно различается

от 1 до 14 %. Применение конвертерных шлаков в строительстве практически безопасно (радиоактивность составляет 34,74 Бк/кг).

Химический состав конвертерных шлаков достаточно сложный и в основном представлен оксидом кальция - иногда больше 50 % и оксидом кремния от 20 до 35 %. Кроме того, зафиксированы следующие оксиды: А1203 - от 2 до 8 %, MgO - от 4 до 12 %, Fe203 и FeO - от 1 до 7 %, МпО - от 0,5до 2 %, Сг203 - от 0,5 до 1,5 %, Р2<Э5 от 0,05 до 0,2 % и другие.

Минералогический состав силикатной части конвертерных шлаков состоит из белита двух модификаций (ß-C2S и- y-C2S (35-45%); алюмоферритной фазы (2028%): браунмиллерита (C4AF), двухкальциевого феррита (C2F) и железистого геленита (C2FS); магнетита (Fe0-Fe203) и гематита (Fe203) с примесями аморфной фазы (20-30%), а-модификации кварца (a-Si02), окерманита (2Ca0Mg02SiC>2), кальциймагниевого феррита (2CaOMgOFe2C)3).

При экспериментальном подтверждении сформулированной научной гипотезы трудности были вызваны отсутствием стандартных методов, применимым к строительным материалам на техногенном сырье. В частности, при синтезе вяжущих композиций на основе конвертерных шлаков, можно было воспользоваться сразу несколькими методиками.

Для определения физико-механических свойств материала в основном использовались стандартные методики. Экспериментальная часть выполнена в лаборатории кафедры «Строительные материалы» ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет». Все значения свойств материалов с использованием конвертерных шлаков являются средними показателями, рассчитанными с помощью методов статистической обработки результатов.

Эффективность использования шлаков в стройиндустрии зависит от возможности достаточно полно разделить силикатную составляющую от металлической. Поэтому в условиях реального производства важной задачей является корректный расчет степени зашлакованное™ скрапа. Предложен способ определения процентного содержания металлического железа в магнитной и немагнитной составляющей металлического скрапа за счет количества водорода, выделившегося в результате химического взаимодействия шлаков с соляной кислотой (HCl).

В третьей главе приведены результаты исследования структурообразования матричных систем твердения на основе конвертерных шлаков. Структурообразование такой системы представлено в виде последовательности процессов, происходящих в дисперсных системах. Процессы взаимодействия частиц в этих системах взаимосвязаны друг с другом и определяют устойчивость состояния системы.

Из всех технологических состояний, в которых находятся конвертерные шлаки, наименее востребованным является отсев 0-10 мм. Для целей получения вяжущих композиций он наиболее эффективен и по функциональным свойствам, и по экономическим показателям. При этом важно, чтобы в процессе переработки для этих целей в месте складирования происходило разделение на активные и инертные шлаки. Технологию производства матричных материалов и изделий на их основе можно представить схематически (рисунок 3). Синтез вяжущих систем, отличающихся оптимальной прочностью и водостойкостью, является многофакторной задачей. Для ее решения необходимо разработать факторы

управления и регулирования строительно-техническими свойствами вяжущих систем на основе конвертерных шлаков (рисунок 4).

.•е/ю-лцг*!-.. '(¡«ЛЗГЙГК», «зяшнндайэ фвапЦ

Минимизация затрат, простота технологии

Технологии переработки конвертерных шлаков фракции 0-10 мм содержащих около 9% металлической части

Высокотехнологичная продукция с высокой добавочной стоимостью

Дополнительный помол, извлечение металла, прессование

Изделия для дорожного строительства

Тонкий помол до оптимальной удельной поверхности, тщательное

удаление металла, специальные технологии формования и обработки

Широкая номенклатура

строительных материалов и изделий

Рисунок 3 - Эффективные технологии шлаковых вяжущих композиций

Регулируемые параметры:

- водо-твердое отношение;

- дисперсность компонентов;

- способы формования;

- механизм и условия твердения;

- температура и условия обработки;

- способ и количество активаторов твердения;

- количество и вид добавок (наполнителей) и химических модификаторов.

Контролируемые свойства;

- прочность при сжатии;

- прочность при изгибе;

- плотность;

- водопоглощение.

Информация для обоснования результатов: ! ■ качественный и количественный ' состав продуктов гидратации;

- изменение пористости;

- скорость взаимодействия, тепловыделение и др.

Рисунок 4 - Система управления и регулирования свойствами матричными материалами на основе конвертерных шлаков

Конвертерные шлаки фракции 0 - 10 мм подвергали помолу до удельной поверхности равной 3500 см2/г. Было установлено, что при взаимодействии с водой

Водо-твердое отношение

Рисунок 5 - Зависимость водо - твердого отношения на прочность вяжущих из конвертерных шлаков: 1 - пластическое формование, 2 - полусухое формование с пригрузом, 3 - формование с уплотнением.

прочностная активность конвертерных шлаков может варьироваться в зависимости от способа формования (рисунок 5).

Образцы, изготовленные из конвертерных шлаков и микрокремнезема в соотношении 40 : 60, показали прочность при сжатии равную 14,2 МПа. Таким образом, предполагается, что изучаемые материалы активно участвуют в структурообразовании многокомпонентных вяжущих.

Таким образом, вяжущая система «конвертерный шлак - микрокремнезем» в присутствии портландцемента (щелочная активация) проявляет функциональную эффективность как по структурным и технологическим параметрам, так и по механическим свойствам (рисунок 6).

2 Н

О 5 10 15 20 25 30 35

Водо-твербое отношение

Рисунок 6 - Зависимость прочностной активности шлаковых вяжущих композиций от водо-твердого отношения при пластическом формовании образцов с отношением расхода конвертерного шлака к микрокремнезему (Ш:М) как: 1 - 40:60; 2 - 50:50.

Были подобраны оптимальные способы активации шлаковых вяжущих, заключающиеся в сочетании тепловой обработки с эффективными способами уплотнения (включая прессование) и химической активацией.

Технологии контактно-конденсационного твердения позволяют получить композиционный материал с максимально плотной упаковкой зерен. Процесс структурообразования запускается с момента приложения высокого внешнего давления и создания стесненных условий, и протекает отлично от традиционных вяжущих веществ. Твердение сопровождается фазовыми превращениями в системе (происходит кристаллизация аморфных фаз и срастание новообразований -кристаллогидратов) и изменением объема и размеров пор исследуемых материалов. При непрерывном повышении давления структурообразование, протекающее в нормальных условиях, иногда в течение нескольких часов, завершается за цикл прессования. Таким образом, прочностные показатели вяжущих контактного-конденсационного твердения зависят от степени сближения нестабильных тонкодисперсных частиц и размеров формирующихся контактов между частицами шлаков.

Для установления оптимальных значений строительно-технических свойств вяжущих контактно-конденсационного твердения на основе конвертерных шлаков было решено использовать метод математического планирования. В качестве факторов, которые оказывают влияние на формирование вяжущей системы, были выбраны следующие: Х[ - расход микрокремнезема, х2 - давление прессования, х3 -расход жидкого стекла.

На основе полученных результатов составили уравнения регрессии для откликов «прочность при сжатии» и «плотность» и после исключения незначимых коэффициентов уравнения регрессии имеют вид:

- для отклика «прочность при сжатии» (рисунок 7)

,х2,х3)= 36,29 -0,34• хх -4,88 х2 -0,38-+ 0,59■ д:,2 -1,78- д:| -

-0,70• х1 -1,40-х, • х3 - 0,35 х2-х3

- для отклика «плотность» (рисунок 8)

р(х, ,х2,х3) = 2095,94 - 70,19-х2 + 36,34 • х\ - 40,0 • х, ■ х2

» 6000-7000 и 5000-6000 а 4000-5000 В 3000-4000 Я 2000-3000 ■ 1000-2000 В 0-1000

Рисунок 7 - Поверхность отклика «плотность»

Рисунок 8 - Поверхность отклика «прочность»

Таким образом, оптимальными составами являются следующие: расход микрокремнезема - 10 %, давление прессования - 120 МПа; и расход микрокремнезема - 20 %, давление прессования - 124 МПа; расход жидкого стекла -10%.

На предприятиях ООО «Спецмехстрой» в рамках допуска по СРО опробована технология бетонов контактно-конденсационного твердения на основе конвертерных шлаков. Выпущена опытно-промышленная партия изделий по технологии контактно-конденсационного твердения. Это существенно уменьшило энергозатраты и минимизировало время технологического цикла.

В четвертой главе представлены результаты определения строительно-технических свойств строительных композитов на основе конвертерных шлаков.

Для улучшения свойств ППУ было решено вводить тонкомолотый неактивный конвертерный шлак до вспенивания полимерной композиции. При этом достигается наилучшее смачивание и более равшшерное распределение наполнителя во вспенивающейся композиции (конденсационное наполнение).

Конвертерный шлак равномерно распределяются в полимерной матрице. За счет адсорбции наполнителями полимера происходит стягивание полимера к каналам Плато-Гиббса, что приводит к увеличению их толщины и, как следствие, повышению плотности и прочности пенополиуретана. Частицы микрокремнезема являются настолько тонкодисперсными (удельная поверхность до 30000 м2/кг), что располагаются не только в узлах и каналах Плато-Гиббса, но и в пленках ячеек. Об этом свидетельствуют результаты микроскопического исследования (рисунок 9).

Рисунок 9 - Структура наполненного пенополиуретана

В структуре материалов шлакопереработки особое место занимают зернистые шлаки. Поэтому вопросы особенностей зернистых конвертерных шлаков и их совмещение с вяжущими системами строительных композитов являются актуальными. В таблице 1 приведены сравнительные данные химического анализа конвертерных шлаков по фактическому содержанию компонентов и требований ГОСТ 5578-94 «Щебень и песок из шлаков черной и цветной металлургии для бетонов. Технические условия», ограничивающих содержание данных компонентов.

Таблица 1 - Сравнительные показатели данных химического анализа конвертерных шлаков___

Наименование показателя Данные химического анализа Требования ГОСТ 5578-94

Содержание металлических включений (корольки, скраб), мае. % 11,32 Не более 5,0 в щебне* Не более 3,0 в песке*

Содержание оксидов железа и марганца (РеО+МпО), мае. % 7,81 В песке и щебне не более 3,0

Содержание сульфидной серы, мае. % 0,11 Не более 1,5

Содержание в щебне и песке сернистых и сернокислых соединений в пересчете на 803 0,275 Не более 4,5

Потери при прокаливании в щебне и песке, мае. % 8,3 Не более 7,0 в отвальном шлаке

При этом существующие нормативные требования не являются исчерпывающими. Известно, что кроме того и многие топологические свойства зернистых материалов изменяют механические характеристики композита. Понятно, что даже применяя заполнители, удовлетворяющие требованиям нормативных документов, но различающиеся размером и формой зерен, гранулометрическим и минералогическим составами смеси, а также разного генезиса, полученный результат будет существенно отличаться как по физическим, технологическим и механическим свойствам.

Варьируя гранулометрический состав конвертерных шлаков, расход цемента (Ц/П = 4 : 1) и воды (В/Ц = 0,83), строительные мелкозернистые бетоны характеризуются прочностью около 30 МПа. Гранулометрический состав конвертерных шлаков характеризовался содержанием следующих фракций: 2,5 -1,25 мм (35%), 0,63 - 0,314 мм (40%), 0,14 и меньше (25%).

Предложенная технология переработки конвертерных шлаков увеличивает уровень отделения металлической части до 95%. При этом используется простое оборудование, которое можно разместить на любой заводской площадке. Конвертерные шлаки стабильной структуры, хранившиеся в отвалах более трех лет, могут формировать минеральный каркас композитов, а активные шлаки текущего выхода должны вводится в составы матричных систем твердения.

В пятой главе на основе комплексного изучения физико-механических свойств композитов на основе конвертерных шлаков разработаны технологии и внедрены результаты исследований.

В последние годы многослойные конструкции и элементы находят все большее применение в строительстве. Их функциональная и экономическая эффективность обусловлена синергетическим сочетанием структур, а также конструкционных и теплоизоляционных свойств используемых материалов, работающих как единое целое. Кровельные многослойные конструкции используются для зданий и сооружений различного назначения. Их применение решает сразу несколько задач - создание законченного архитектурного образа, обеспечение высоких прочностных и деформационных характеристик при хорошей шумо- и теплоизоляции, позволяет добиться минимизации затрат при монтаже.

Получение многослойной кровельной конструкции, представляющей собой металлическую черепицу (рисунок 10) и нанесенный на нее модифицированный жесткий пенополиуретан (ППУ), за единый технологический цикл воспроизводит сложный и трудоемкий комплекс работ и мероприятий по изготовлению качественного кровельного пирога, включая гидро-, паро- и теплоизоляцию. Использование легких, транспортабельных и технологичных кровельных элементов в условиях массового производства, создает широкие возможности для индустриального строительства.

Рисунок 10 - Процесс формования теплоизоляционного слоя в композитной черепице

Технология многослойной кровельной черепицы была внедрена на двух предприятиях Липецкого региона с общим экономическим эффектов 1,5 миллионов рублей.

■шиш

ЯЕШЖИЕ .ещЕм шгшгйиая , . . ;

■ ■

||ЩЬ.......М.И 1 " Ш ИИГ м^ II < 11N

Щш

ШЩ^ 1

При напылении пенополиуретана в качестве перемешивающего компонента используется сжатый воздух от компрессора.

Пенополиуретановые компоненты

обладают чрезвычайно высокой адгезией к самым различным материалам. Геометрия поверхности также значения не имеет. Это может быть прямолинейный участок или изгиб, аэрозольный факел оператор может направлять куда угодно. В рамках работ по СРО были проведены работы по утеплению стеновых и кровельных конструкций с помощью пено-полиуретановых покрытий. Масштаб внедрения составил 100 м2 (рисунок 11).

Рисунок 11 - Утепление кровли промышленного здания с помощью наполненного ППУ

Для крепления рулонных материалов при его транспортировке в контейнерах железнодорожным и морским транспортом используются пенополиуритановые фигурные демферирующие крепежные элементы, одни из которых выполнены по высоте рулона, их внутренняя поверхность повторяет контур рулона, а наружная поверхность копирует форму стенок контейнера, другие выполнены в виде балок, которые устанавливаются в распор между фигурными крепежными элементами по всей их высоте. Предложенный способ закрепления рулонного металла при транспортировке в контейнере позволяет исключить возможность продольного и поперечного сдвига поддонов с рулонами и предохранить металл от конструкцию фиксирующих элементов, снизить себестоимость их производства, минимизировать время закрепления рулонов металла в контейнере (рисунок 12).

Низкая степень перераоотки и использования шлаков конвертерного производства стали по стране составляет менее 40 %. Это положение сложилось прежде всего из-за комплекса специфических нестабильных свойств, не удовлетворяющих существующим требованиям к традиционному сырью. Такие шлаки из-за короткого интервала температур нарастания вязкости не рационально перерабатывать в огненно-жидком состоянии. Они содержат металлические включения, обладают высокой абразивностью, интенсивно изнашивают

Рисунок 12 - Общий вид системы крепления рулонных материалов из наполненного ППУ

оборудование. При длительном хранении могут схватываться в прочные композиты или разрушаться за счет процессов распада.

Экспериментально подтверждена целесообразность использования конвертерных шлаков при производстве изделий из высокоплотных цементных бетонов контактной структуры (с марками по прочности при сжатии до 700, средняя плотность при этом могла достигать 3100 кг/м3.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Было установлено, что минеральный состав конвертерных шлаков зависит от способа переработки, от пространственного расположения в шлаковом массиве, а также от генезисных изменений в технологии производства стали.

2. Свойства конвертерных шлаков зависят от химического, минералогического и гранулометрического состава, способа кристаллизации, структуры, формы и размера кристаллов и других. Конвертерные шлаки характеризуются:

- непостоянством химического и фазового составов;

- нестабильностью структуры зернистых шлаков из-за высокого содержания свободного оксида кальция;

- высоким потенциалом в проявлении гидравлической и пуццоланической активности, объясняющийся значительным количеством активных минералов, входящих в их состав (белит, алюмоферрит, гематит и магнетит, аморфный кварц и другие);

- наличием металлических примесей, из-за которых зернистые шлаки обладают высокой плотностью.

3. Эффективность использования шлаков в стройиндустрии зависит от возможности достаточно полно разделить силикатную составляющую от металлической. Поэтому в условиях реального производства важной задачей является корректный расчет степени зашлакованности скрапа. Предложен способ определения процентного содержания металлического железа в магнитной и немагнитной составляющей металлического скрапа за счет количества водорода, выделившегося в результате химического взаимодействия шлаков с соляной кислотой (HCl).

4. Из всех технологических состояний, в которых находятся конвертерные шлаки, наименее востребованным является отсев 0-10 мм. Для целей получения вяжущих композиций он наиболее эффективен и по функциональным свойствам, и по экономическим показателям. При этом важно, чтобы в процессе переработки для этих целей в месте складирования происходило разделение на активные и инертные шлаки.

5. При твердении шлаковых вяжущих систем задействуется комбинированный механизм (гидратационный и контактно-конденсационный). Отмечается при этом зависимость прочности матрицы как от интенсивности и глубины реакций гидратации минералов конвертерных шлаков, так и от расстояния между шлаковыми частицами Длительность твердения вяжущих систем может существенно варьироваться (от нескольких минут до часа).

6. Вяжущая система «конвертерный шлак - микрокремнезем» в присутствии портландцемента (щелочная активация) проявляет функциональную эффективность как по структурным и технологическим параметрам, так и по механическим свойствам

7. Оптимальными составами вяжущих контактно-конденсационного твердения являются следующие: расход микрокремнезема - 10%, давление

прессования - 120 МПа; и расход микрокремнезема - 20%, давление прессования -124 МПа; расход жидкого стекла - 10%.

8. На предприятиях ООО «Спецмехстрой» в рамках допуска по СРО опробована технология бетонов контактно-конденсационного твердения на основе конвертерных шлаков. Выпущена опытно-промышленная партия изделий по технологии контактно-конденсационного твердения.

9. Установлено, что оптимальным по прочности соотношением основных компонентов в пенополиуретанах является П/Д = 3,9 ...4,1. Оптимальным, с точки зрения водопоглощения, соотношением П/Д является 2,7...3,3. Принимаем состав пенополимера, предназначенного для многослойной кровельной конструкции, с соотношением между полнизоцианатом и диэтиленгликолем, равное 3,3.

10. Для улучшения свойств ППУ было решено вводить тонкомолотый неактивный конвертерный шлак до вспенивания полимерной композиции. При этом достигается наилучшее смачивание и более равномерное распределение наполнителя во вспенивающейся композиции (конденсационное наполнение).

11. Конвертерный шлак не соответствует требованиям ГОСТ 5578-94 «Щебень и песок из шлаков черной и цветной металлургии для бетонов. Технические условия» по содержанию металлических включений (корольки, скрап, оксидов железа и марганца (БеО+МпО) и потерь при прокаливании. При этом существующие нормативные требования не являются исчерпывающими. Известно, что кроме того и многие топологические свойства зернистых материалов изменяют механические характеристики композита. Понятно, что даже применяя заполнители, удовлетворяющие требованиям нормативных документов, но различающиеся размером и формой зерен, гранулометрическим и минералогическим составами смеси, а также разного генезиса, полученный результат будет существенно отличаться как по физическим, технологическим и механическим свойствам.

12. Варьируя гранулометрический состав конвертерных шлаков, расход цемента (Ц/П = 4 : 1) и воды (В/Ц = 0,83), строительные мелкозернистые бетоны характеризуются прочностью около 30 МПа. Гранулометрический состав конвертерных шлаков характеризовался содержанием следующих фракций: 2,5 -1,25 мм (35%), 0,63 - 0,314 мм (40%), 0,14 и меньше (25%).

13. Предложенная технология переработки конвертерных шлаков увеличивает уровень отделения металлической части до 95%. При этом используется простое оборудование, которое можно разместить на любой заводской площадке.

14. Технология изготовления композитной черепицы с слоем теплоизоляции из наполненного пенополиуретана была опробована на двух производственных предприятиях Липецкого региона.

15. В рамках работ по СРО были проведены работы по утеплению стеновых и кровельных конструкций с помощью пенополиуретановых покрытий. Масштаб внедрения составил 100 м2.

16. Была разработана и внедрена система крепления рулонных материалов из наполненного пенополиуретана оптимальных составов. Форма фигурных крепежных элементов в предложенном способе закрепления рулонного металла позволяет дополнительно распределить нагрузки на продольные стены контейнера и исключает возможность смещения грузов при торможении в осевых направлениях, а также препятствует отрыву армированной клеящей ленты от

стенок контейнера и, как следствие, дополнительно предохраняет от продольного сдвига блок рулонов металла.

17. Экспериментально подтверждена целесообразность использования конвертерных шлаков при производстве изделий из высокоплотных цементных бетонов контактной структуры (с марками по прочности при сжатии от 200 до 700, средняя плотность при этом составляла от 2400 до 3100 кг/м3. Оптимальные составы особо тяжелых бетонов внедрены при изготовлении пробной партии утяжелителей для стиральных машин, а также для изготовления элементов-ограничителей парковок и стоянок.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Шаталов, Г. А. Композиционные материалы на основе пенополиуретана с использованием кремнеземсодержащих наполнителей [Текст] / Г. А. Шаталов, А. О. Проскурякова, А. Д. Корнеев // Вестн. Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2012. - Вып. 27 (46). - С. 73-78.

2. Шаталов, Г. А. Сэндвич-панели с утеплением из наполненного пенополиуретана для малоэтажного строительства [Текст] / Г. А. Шаталов, А. О. Проскурякова, А. Д. Корнеев // Вестн. Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2013. - Вып. 32 (51) - С. 71-76.

3. Шаталов, Г. А. Технология композитной черепицы с теплоизоляцией из наполненного пенополиуретана [Текст] / Г. А. Шаталов, А. Д. Корнеев, М. А. Гончарова // Строительные материалы. - 2014. - № 3. - С. 92-96.

Патенты РФ на изобретения и полезные модели:

4. Металлочерепица : пат. 2452829 С2 Рос. Федерация МПК Е0401/28 / Г. А. Шаталов. - № 2010134073/02 ; заявл. 13.08.2010 ; опубл. 10.06.2012, Бюл. № 16.

5. Набор деталей для возведения стенового ограждения панельных зданий : пат. 2353734 С1 Рос. Федерация МПК Е04В1/02 / Г. А. Шаталов, В. К. Зенькович. - № 2007127384/03 ; заявл. 17.07.2007 ; опубл. 27.04.2008, Бюл. № 12.

6. Металлочерепица : пат. 2456416 С2 Рос. Федерация МПК Е0401/28 / Г. А. Шаталов. - № 2010134075/02 ; заявл. 13.08.2010 ; опубл. 20.07.2012, Бюл. № 20.

7. Металлочерепица : пат. 2499646 С2 Рос. Федерация МПК В2105/00 / Г. А. Шаталов. - № 2010134279/02 ; заявл. 16.08.2010 ; опубл. 27.11.2013, Бюл. № 33.

8. Металлочерепица : пат. 2455437 С2 Рос. Федерация МПК Е04Ш/28 / Г. А. Шаталов. - № 2010134074/02 ; заявл. 13.08.2010 ; опубл. 10.07.2012, Бюл. № 19.

9. Гидравлическое устройство для разматывателей : пат. 2483820 С1 Рос. Федерация МПК В21С47/30№ 2011146349/02 ; заявл. 15.11.2011 ; опубл. 10.06.2013, Бюл. № 16.

10. Линия и способ изготовления и монтажа металлочерепицы : пат. 22378071 С2 Рос. Федерация МПК В2Ш5/10 / Г. А. Шаталов. - № 2008100785/02 ; заявл. 09.01.2008 ; опубл. 10.01.2010, Бюл. № 1.

11. Опалубка для бетонирования монолитных перекрытий помещений : пат. 2264511 С2 Рос. Федерация МПК Е04в 11/38 / Г. А. Шаталов, В. К. Зенькович. - № 2003130001/03 ; заявл. 09.10.2003 ; опубл. 20.11.2005, Бюл. № 32.

Публикации в других изданиях:

12. Шаталов, Г. А. Конструктивное решение стенового ограждения здания [Текст] / Г. А. Шаталов [и др.] // Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре : сб. ст. междунар. конф. - Липецк : ЛГТУ, 2009 - С. 135-136.

13. Шаталов, Г. А. Исследование эффективности использования заполнителей для жаростойких бетонов из отходов металлургической промышленности [Текст] / Г. А. Шаталов, А. Д. Корнеев, Н. Н. Дергунов // Ресурсоэнергоэффективные технологии в

строительном комплексе региона : сб. науч. тр. по материалам II Всерос. науч.-практ. конф. - Саратов, 2012 - С. 13-15.

14. Шаталов, Г. А. Исследование работы сэндвич-панели с утеплителем из пенополиуретана [Текст] / Г. А. Шаталов, Ф. Н. Корняков // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона : сб. науч. тр. по материалам II Всерос. науч.-практ. конф. - Саратов, 2012 - С. 62-65.

15. Шаталов, Г. А. Повышение свойств пенополиуретановых композиционных материалов [Текст] / Г. А. Шаталов, Ф. Н. Корняков, А. Д. Корнеев // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона : сб. науч. тр. по материалам II Всерос. науч.- практ. конф. - Саратов, 2013 - С. 37-39.

16. Шаталов, Г. А. Прогнозирование работоспособности полимерных композиционных материалов. [Текст] / Г. А. Шаталов [и др.] . // Материалы международных академических чтений «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения». - Курск, 2012. - С. 32-36.

В работах [1-16] автором выполнены: постановка задачи, экспериментальные исследования, анализ результатов исследований и разработка рекомендаций по их применению.

Шаталов Геннадий Анатольевич

СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНВЕРТЕРНЫХ ШЛАКОВ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 17.10.2014 Формат 60><84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Объем 1,4 п.л. Тираж 120 экз. Заказ № 528 Полиграфическое подразделение Издательства Липецкого государственного технического университета. 398600 Липецк, ул. Московская, 30.