автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Технология строительных композитов на основе портландито-алюмосиликатной контактно-конденсационной системы твердения

СТЕПАНОВА Мария Петровна

На правах рукописи

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДИТО-АЛЮМОСИЛИКАТНОЙ КОНТАКТНО-КОНДЕНСАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ТВЕРДЕНИЯ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 ИДИ ¿013

Воронеж - 2013

005059845

005059845

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

доктор технических наук,

профессор, академик Российской академии архитектуры и строительных наук, Чернышев Евгений Михайлович

Корнеев Александр Дмитриевич доктор технических наук, профессор, Липецкий государственный технический университет, кафедра строительных материалов, заведующий кафедрой

Сергуткина Октябрина Романовна, кандидат химических наук, доцент, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, кафедра физики и химии, доцент

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Защита состоится 14 июня 2013 г. в 11® часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20 - летия Октября, 84, ауд. 3220, тел.(факс): (473) 271-59-05

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан /0 ¿¿¿¿Ъ^Д^ 2013 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Власов Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. С древнейших времен известковые, известково-пуццолановые, известково-цемяночные, известково-глинитные вяжущие, составы которых наши предки нашли эмпирическим путем, широко и повсеместно использовались в строительстве. Еще в первой половине XX века эти вяжущие занимали значительное место в строительной практике. Развитие производства и относительная доступность цемента привели к существенному снижению спроса на многие бесклинкерные, в том числе и известковые (портландитовые) вяжущие.

Сегодня приоритеты научно-прикладных технологических разработок как традиционных строительных материалов, так и материалов новых поколений определяются актуализацией концепции и критериев ресурсосбережения и энергоэффективности. Поэтому на современном витке развития строительного материаловедения и промышленных производств, востребованными могут оказаться системы твердения и композиты, получаемые на основе портландита по энергосберегающей контактно-конденсационной технологии. В существе теории этой технологии, опирающейся и на наноподходы, лежит идея о том, что дисперсное аморфное или кристаллическое вещество, находящееся в нестабильном энергетическом состоянии, обладает способностью к конденсации и образованию твердого тела. Реализуя принципы этой идеи, возможно обеспечить формирование систем твердения и композитов из предварительно подготовленных и наделенных неравновесностью энергетического состояния нано- и микроразмерных кристаллов портландита, используемых в смеси с кислотными (включая алюмосиликатные) компонентами природного и техногенного типа. Такие смеси рассматриваются в работе в качестве объекта исследования. Изучение закономерностей структурообра-зования систем твердения и композитов при этом принимается в работе в качестве предмета исследований.

Таким образом, работа посвящена решению связанных с объектом и предметом исследований вопросов, относящихся к рассмотрению возможностей достижения твердого состояния строительных композитов на основе известковых (бесклинкерных) систем твердения в результате реализации управляемых механизмов контактно-конденсационного структурообразова-ния непосредственно в процессе компактирования смеси нано- и микроразмерных кристаллов портландита и частиц кислотных оксидов и их гидратов без применения тепловой обработки.

Постановка этих исследований отвечает принятой цели диссертационной работы - разработке технологии строительных композитов на основе компактирования кристаллов портландита и компонентов алюмосиликатного состава природного и техногенного типов, с учетом механизмов контактно-конденсационного структурообразования.

Задачи исследований: 1. Рассмотреть возможность получения композиционных материалов с известковыми (бесклинкерными) контактно-конденсационными системами

твердения, обладающими способностью к упрочнению непосредственно при принудительном компактировании нано- и микродисперсных частиц исходных щелочных и кислотных оксидов и их гидратов, наделенных или целенаправленно наделяемых неравновесным энергетическим состоянием.

2. Дать анализ механизмов сгруктурообразования кристаллитной (портландитовой) и композитной (портландито-алюмосиликатной) систем твердения при сочетании нано- и микроразмерных кристаллов портландита с микродисперсными и тонкозернистыми алюмосиликатными по составу компонентами.

3. Исследовать закономерности получения индивидуальных нано- и микроразмерных кристаллов портландита с неравновесным энергетическим состоянием и предложить технологические варианты гидратации извести в различных условиях и сочетаниях ее с алюмосиликатным компонентом.

4. Экспериментально подтвердить возможность получения материала портландито-алюмосиликатного состава с учетом структурообразующей роли компонентов при формировании композита.

5. Провести оптимизацию составов и технологических режимов получения портландито-алюмосиликатного композита.

6. Оценить основные физико-механические характеристики полученного материала, разработать предложения к технологическому регламенту производства портландито-алюмосиликатных композитов и направления его практической реализации.

Диссертационная работа выполнялась в рамках программы фундаментальных научных исследований РААСН по приоритетному направлению «Развитие теории и основ конструирования строительных наносгруктуриро-ванных композитов нового поколения», в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ «Разработка и развитие основ конструирования высокотехнологичных функциональных строительных композитов нового поколения».

Научная новизна работы:

- установлено, что возможность формирования в компактируемом композите различных по величинам прочных связей предопределяется мерой неравновесности энергетического состояния сырьевых компонентов, которое в отношении искусственного портландитового камня достигается изменением способов получения индивидуальных кристаллов портландита, а в отношении алюмосиликатного компонента - применением механо-химической активации посредством тонкого измельчения;

- показано, что на развитие физико-химических явлений сгруктурообразования и, следовательно, на прочность композита непосредственно после формования влияют состояние кристаллов портландита, определяемое способами их подготовки, а также технологическая вариантность получения портландито-алюмосиликатного композита по раздельной (А - вариант) и совмещенной (Б - вариант) технологиям подготовки сырьевых смесей, включающих природный алюмосиликатных компонент - цеолит и техногенный -керамический бой;

доказано, что при структурообразовании портландито-алюмосиликатного композита параллельно реализуются несколько его механизмов: механизм кристаллохимического двойникования при формировании связи «портландит-портландит», синтезный механизм образования новых фаз при развитии структурных связей «портландит-алюмосиликатный минерал», механизм кристаллохимической эпитаксии для связи «портландит - кальцит» и «портландит-кварц»; показано, что основными продуктами новообразований в портландито-алюмосиликатном композите являются гидроалюминаты и гидросиликаты кальция;

- обоснованы и выделены определяющие условия и факторы, оказывающие влияние на формирование структуры и прочности композиций порт-ландита с тонкомолотым цеолитом, с тонкомолотой грубой керамикой; в состав этих условий входят способы получения кристаллов портландита, вариант технологического сочетания кристаллов портландита с кислотным компонентом, а также рецептурно-технологические факторы - массовая доля алюмосиликатного компонента, прессовое давление, влажность формуемой сырьевой смеси.

Практическое значение работы:

- впервые методом компактирования получены композиты на основе матрицы из кристаллов портландита и природных и техногенных апюмоси-ликатных наполнителей, обладающие «мгновенной» прочностью до 10 МПа, которая к 28 сут возрастает более чем в 2 раза.

- на основании вероятностно-статистических моделей, полученных при проведении эксперимента методом активного планирования, для трех вариантов оптимизационного критерия цели (максимума прочности непосредственно после формования; максимума количества наполнителя в композите для достижения задаваемой прочности; минимума величины прессового давления для обеспечения назначенной начальной прочности) предложены решения по составам исходных портландито-алюмосиликатных смесей и технологическим условиям, обеспечивающим формирование рациональных структур.

- установлено, что энергозатраты в расчете на единицу измерения прочности композита, получаемого по «контактно-конденсационной технологии» в 2-3 раза ниже в сравнении с «цементной технологией» и на 20-30 % ниже в сравнении с «автоклавной технологией».

Прикладное значение диссертационных исследований заключается в разработке технологических вариантов получения бесклинкерных (известковых) строительных материалов с использованием природных и техногенных алюмосиликатных компонентов; в обосновании решений по составам композита, обеспечивающим получение прочности композита непосредственно после формования без тепловой обработки; в разработке предложений по технологии изготовления мелкоштучных стеновых изделий и компоновочных решений производственных линий.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно обоснованных методик комплексных оценок состава,

структуры, состояния и свойств материалов, методов планирования экспериментов, моделирования и оптимизации, вероятностно-статистических методов обработки полученных результатов.

Реализация результатов работы. По результатам работы подготовлен «Технологический регламент на изготовление прессованного кирпича на основе кристаллов портландита и тонкомолотого алюмосиликатного компонента», предложены компоновочные решения технологической линии производительностью 5 млн. шт. в год.

Теоретические положения и результаты исследований используются в учебном процессе при постановке учебно-исследовательских работ по дисциплинам «Основы научных исследований и технического творчества», «Методы исследования неорганических веществ и материалов» для бакалавров направления 270800 «Строительство» профиля 270800.62 «Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций», по дисциплине «Основы технологи строительных материалов и композитов» для бакалавров направления 020300.62 «Химия, физика и механика материалов».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на XV академических чтениях РААСН (Казань, 2010 г.), на международной конференции «Биосферно-совместимые технологии в развитии регионов» (г. Курск, 2011 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского ГАСУ (2009 - 2012 гг.).

Автор защищает:

- выдвинутые положения о возможных механизмах формирования структурных связей контактно-конденсационного типа в компактируемых портландито-алюмосиликатных композициях;

- результаты комплексного исследования идентификационных структурных характеристик компонентов, входящих в состав композита;

- разработанные технологические варианты получения кристаллов портландита при гидратации извести в различных условиях и вариантах сочетаниях ее с алюмосиликатным компонентом;

- результаты экспериментальных исследований структурообразования и свойств портландито-алюмосиликатных систем твердения и композитов с использованием природных и техногенных сырьевых материалов алюмосиликатного типа;

- результаты оптимизации составов и параметров получения портландито-алюмосиликатных композитов контактно-конденсационного твердения;

- предложения к технологическому регламенту изготовления прессованных мелкоштучных изделий из смесей портландито-алюмосиликатного состава и компоновочные решения технологической линии.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, из них четыре в ведущих рецензируемых научных журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, приложений и содержит 197 страниц, включая 26 таблиц, 68 рисунков, список литературы из 166 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса, обоснование задач и содержания исследований

Бесклинкерные системы твердения используются в строительстве с древнейших времен. Большая их группа основана на применении известкового вяжущего и включает известково-карбонаткальциевые, известково-кремнеземистые, известково-алюмосиликатные и другие разновидности.

В новое и новейшее время исследованием твердения извести занимались Петере, Гресси, Черников, Оденберг, Каплан, которые имея в виду работы Михаэлиса, подтвердили возможность гидратационного твердения извести. В дальнейшем исследованием проблемы получения камня из извести-кипелки занимались Осин Н. В. и практик-изобретатель Смирнов И.В. В результате им удалось получить монолит, применяя сложные приемы преодоления взрывного характера протекания высокоэкзотермичной реакции гидратации извести. Однако в силу сложности предлагаемых приемов данные работы не нашли практического применения и исследования проблемы были приостановлены.

Работы Логгинова Г.И, Попова H.A., Волженского A.B., Боженова П.И., Зацепина К.С. и др. в области изучения известковых систем явились основой для разработки производства силикатных плотных и ячеистых бетонов, в технологии которых используются элементы гидратационного твердения извести.

Современные работы Прокофьевой В.В., Кореньковой С.Ф., Чумаченко Н.Г., Цыремпилова А.Д., Дамдиновой Д.Р., Урхановой JI.A., Лесовика B.C., Козловой В.К., Овчаренко Г.И., Акчурина Т.К., Шинкевич Е.С., Рахимовой Н.Р., Пичугина А.П., Белова В.В., Корнеева А.Д., Гончаровой М.А. и др. раскрывают многие вопросы структурообразования систем твердения на основе бесцементных и малоцементных вяжущих с применением природных и техногенных компонентов. Эти работы имеют важное значение для решения сформулированной в диссертации проблемы.

С развитием производства цемента и индустриализацией строительства применение известковых вяжущих практически прекратилось. Однако данные виды вяжущих обладают высоким потенциалом эффективности; практическая реализация их технологии может способствовать успешному решению приоритетных задач ресурсосбережения в строительстве.

В 90-х годах Е.М. Чернышевым, Н.Д. Потамошневой были развернуты исследования по решению проблемы образования кристаллического сростка при гидратации извести и получению портландитового камня. Было предложено отделить процесс получения индивидуальных нано-и микроразмерных кристаллов портландита от процесса формирования из них сростка. Для этого предварительно получали индивидуальные кристаллы портландита, а затем при их компактировании, реализуя механизм контактно-конденсационного твердения, обеспечивали формирование из них кристаллического сростка. В результате удалось сложить кристаллитную структуру с прочностью 25-30 МПа непосредственно после компактирования индивиду-

альных кристаллов портландита без применения тепловой обработки. Фактически были обоснованы принципиальные решения новой энергоэффективной технологии. Портландитовый камень полученной прочности мог рассматриваться в качестве матрицы для структурообразования бесклинкерных строительных композитов в сочетании ее с наполнителями природного или техногенного происхождения. В качестве одного из перспективных решений являлось получение портландито-карбонаткапьциевых композитов, что было показано О.Б. Кукиной, О. Р. Сергуткиной. Другим не менее перспективным направлением можно считать разработку технологии строительных композитов на основе портландитовой системы твердения в сочетании ее с алюмосиликатным компонентом природного и (или) техногенного типов.

Основные возможные механизмы образования структурных связей в композите с портландитовой матрицей

Принимая алюмосиликатный компонент, как наполнитель в портландитовой матрице, необходимо иметь в виду его не только механическую, но и физико-химическую роль, то есть способность участвовать в реакциях образования (синтеза) физико-химических связей системы твердения (матрицы). В портландито-алюмосиликатном композите образование структурных связей может (рис. 1) происходить между кристаллами портландита, между кристаллами портландита и частицами алюмосиликатного наполнителя, а также между самими частицами наполнителя, и развиваться по нескольким механизмам. При этом необходимо учитывать, что в состав алюмосиликатного материала, который выполняет роль и реагента и наполнителя в композите, могут входить помимо алюмосиликатных минералов кальцит, кварц. Поэтому при формировании связи «портландит-алюмосиликатный компонент» возможно развитие контактов с любым их них по основным механизмам,

Рис. 1- Возможные варианты взаимодействия компонентов при струкгурообразовании портландито-алюмосиликатного композита

обозначенным в табл. 1. Так, для связи «портландит-алюмосиликатный компонент» возможна реализация синтезного и эпитаксиапьных механизмов. В итоге компактируемые кристаллы портландита и частицы наполняющего компонента могут омоноличиваться продуктами синтеза гидратных соединений, возникающими в процессе взаимодействии кислотного и щелочного оксидов; на алюмосиликатной подложке также возможно формирование кри-

сталлогидратных фаз в результате коалесценции аморфных частиц, возникающих на первом этапе коллоидации и конденсации.

Формирование связи «портландит-портландит» основывается, как известно, на механизме кристаллохимического двойникования.

Образование связи «наполнитель-наполнитель» связывается с проявлением сил физико-механического типа, таких как физико-механическое трение, зацепление и электростатическое притяжение.

Таблица 1

Основные возможные механизмы формирования структурных связей в композите портландито-алюмосиликат! юго состава

Основные положения методики, методы экспериментальных исследовании, применяемые материалы

Общим методологическим принципом работы являлся структурный подход и методы системно-структурного материаловедения, применение которых обеспечивает анализ взаимосвязи «технологические факторы» - «состав, структура, состояние, свойства материала».

При выполнении экспериментальных исследований для изготовления образцов композиционного материала использованы сырьевые материалы, удовлетворяющие требованиям соответствующих стандартов: - известь комовая негашеная с массовой долей активной СаО 85-90 % со скоростью гидратации 7-10 мин и температурой гидратации 100 °С, размолотая до удельной площади поверхности частиц 1000 - 6000 см2/г; бой керамического кирпича Семилукского комбината строительных материалов, размолотый до удельной площади поверхности частиц 1000 - 6000 см2/г; цеолит Хо-линского месторождения (Алтайский край) с содержанием клиноптилолита не менее 60 %, размолотый до удельной площади поверхности частиц 3000 -9000 см2/г.

Исследования проводились в два этапа. На первом этапе изучались модельные системы, в которых изменялись способы гидратации извести (от варианта на холоду до варианта кипячения), а также варианты технологического сочетания кристаллов портландита и алюмосиликатного компонента — раздельный и совмещенный. При назначении способов получения кристаллов портландита (табл. 2) добивались различной скорости гидратации СаО, скорости изменения концентрации раствора оксида и гидроксида кальция, кристаллизации Са(ОН)2> и, как следствие этого, получали различное энергетически неравновесное состояние монокристаллов портландита, предназначенных для последующего формирования структуры портландитовой матрицы.

Таблица 2

Способы получения кристаллов портландита

Наименование способа Условия проведения гидратации СаО

I гидратация при начальной температуре извести и воды затворения (17±2) °С, В/И=1

II гидратация при начальной температуре извести и воды затворения 100 °С, В/И=1

III гидратация при начальной температуре извести и воды затворения 0 "С, В/И=1

IV гидратация при начальной температуре извести и воды затворения 100 °С, с последующим кипячением и досушкой смеси до влажности, обеспечивающей формирование бездефектных образцов

При получении композита в исследованиях реализовывались два варианта его технологии - раздельный (А-вариант) и совмещенный (Б-вариант).

А-вариант технологии заключался в предварительном получении кристаллов портландита по способам 1-1У, а затем механическом их смешивании с тонкомолотыми алюмосиликатными компонентами; полученная смесь компактировалась прессованием.

Б - вариант отличался тем, что процесс гидратации извести и кристаллизации портландита происходил по способам 1-1У в присутствии алюмо-

силикатного компонента, для чего известь и компонент предварительно смешивали, затворяли водой и гидратировали. Компактирование смеси прессованием проводилось после завершения процесса гидратации извести в смеси.

Полученные сырьевые смеси при необходимости доувлажняли таким количеством воды, которое обеспечивало возможности формования и получения бездефектных образцов в виде цилиндров размером 30 * 30 мм. Прессование в случае модельных систем осуществлялось на гидравлическом прессе при удельном давлении 100 МПа.

С учетом результатов первого этапа исследований на втором этапе эксперименты проводили с использованием метода активного планирования. Применялось центральное (с центральной и «звездными» точками) композиционное (на двух уровнях с тремя факторами 23), исключающее случайные ошибки планирование. В качестве варьируемых факторов приняты массовая доля алюмосиликатного наполнителя по отношению к портландиту Н:П, влажность сырьевой смеси по показателю В/Т, прессовое давление Р.

Анализ участия природных и техногенных алюмосиликатов в формировании структуры композита проводили с использованием рентгенофазового (ДРОН-4), электронномикроскопического (растровый электронный микроскоп «JEOL - JSM-6380LV») методов анализа, метода инфракрасной спектроскопии (спектрометр «Vertex 70»).

Для композита оценивались средняя плотность, влажность материала в образцах после прессования, предел прочности при сжатии непосредственно после изготовления (через 1 ч), а также через 1, 3, 7, 28 сут после изготовления. Испытания вели в сухом и водонасыщенном состоянии, по которым вычисляли коэффициент размягчения материала.

Характеристики структуры и свойств исследуемых образцов оценивали по результатам испытаний малых выборок, количество образцов в которых составляло от 6 до 12. Доверительные интервалы оценок математического ожидания изучаемых показателей задавали с вероятностью 0,95. Относительная ошибка опытов в экспериментах не превышала 10 %.

Алюмосиликаты как структурообразующий компонент портландито-алюмоснликатных систем твердения

Возможность «структурного сочетания» апюмосиликатных компонентов с кристаллами портландита определяется их составом и неравновесностью энергетического состояния. Многообразие апюмосиликатных компонентов, представленных природными и техногенными их разновидностями (рис. 2), характеризуется различной реакционной способностью, как следствие различного энергетического их состояния, предопределяемого природными процессами образования компонентов или их технологической обработкой, например, термической активацией при обжиге, механо-химической активацией при помоле и т.п.

яо2

СаО А12Оз А1203

Рис. 2 - Положение компонентов на диаграмме АЬОз- ЭЮг - СаО

Расположение компонентов природного и техногенного происхождения их на тройной диаграмме СаО - 8Ю2 - А1203 позволяет выделить область, в которой они сосредоточены. Из выделенной области для исследований нами были выбраны два вида алюмосиликатных компонентов — цеолитовый туф (представитель природного типа), и отход производства керамики (представитель «техногенного» типа). Цеолитовый туф — наиболее интересный с позиции возможного структурообразования природный каркасный алюмосиликат, который обладает возможностью изменения химического состава кристаллов, а также формы и размеров внутрикристаллических пор, связанных с легкой перестройкой внутри каркаса и способностью замещения катионов в каналах на другие катионы. Бой керамического кирпича выбран как наиболее интересный представитель техногенного типа.

Осуществлено тестирование структурно-значимых физико-механических и физико-химических характеристик этих двух видов алюмосиликатных компонентов, принятых для исследования. Дисперсным и электронно-микроскопическим анализами показано, что тонкомолотые алюмосили-катные компоненты можно отнести к тонко- и микро-размерным (рис. 3).

По результатам рентгено-фазового анализа определено, что бой керамического кирпича включает кварц, шпинель, анортит, галуазит, а цеолит -клиноптиллолит, монтмориллонит, полевой шпат (рис. 4).

Рис. 3 - Электронномикроскопические фотографии образцов: 1 - молотого цеолитового туфа; 2 — молотого боя керамического кирпича.

1600 ч 1400

и

р 1/ии о

л 1000

н

о 800 X

= 600 о

й 400 н

К 200

8000

Ч 7000 и

р 6000 о

л 5000 н

о 4000

х

и

г 3000 о

£ 2000 к юоо о

1

£ с к

= © 1 ч ~ г г н ... ...

1...........................ь.....................Ё..... ■г § § о

1.......................,Г.................§ г4

Чл "а 1Л ' 111 «

40

Угол 20. град

2

я

я Я

н

5 Н Л ч ь а

-- г £ 5. « о е — . - «...... Л. А.

20

40

Угол 20, град

50

Рис. 4 - Рентгенограммы образцов: 1 -тонкомолотого цеолитового туфа; 2- тонкомолотого боя керамического кирпича

На спектрограммах цеолитового туфа и боя керамического кирпича (рис. 5) наиболее интенсивная полоса при 1052 см соответствует асимметричным валентным колебаниям связи 81-0-81; полосы при 800 -780 см связаны с валентными колебаниями связи А1 - О связи, 1620 см — полоса деформационных колебаний молекул воды.

Волновое число, см

Волновое число, см

Рис. 5 - ИК - спектрограммы образцов:

1 - молотого цеолитового туфа 2 - молотого боя керамического кирпича

Экспериментальные исследования на модельных системах

Целью проведения экспериментов на модельных системах являлось исследование возможности получения компакгированного композиционного материала с выбранными компонентами алюмосиликатного состава природного и техногенного типа.

Установлено (табл. 3), что в А-варианте технологии при реализации 1-го способа подготовки кристаллов портландита композит непосредственно после формования обладает относительно невысокой прочностью - 5 - 6 МПа как при использовании молотого боя керамического кирпича, так и цеолитового туфа. Однако к семи суткам прочность повышается до 10 и 11 МПа соответственно (табл. 3). Применение II -го способа подготовки портландита позволяет получить непосредственно после компактирования прочность 8 МПа, которая к

28 сут возрастает до 14,3 - 17,4 МПа.

Реализация Б - варианта технологии для указанных способов получения портландита обеспечивает формирование композита, обладающего прочностью непосредственно после компактирования 9-10 МПа, что в А-варианте технологии достигается только к семи суткам.

Таблица 3

Прочность портландито-алюмосшшкатного композита в зависимости от способа получения кристаллов портландита при реализации варианта гидратации в присутствии наполнителя

Способ гидратации Вариант технологического Предел прочности при сжатии, МПа

извести при получении кристаллов портландита через в возрасте, сут

сочетания Вид наполнителя час после формования

портландита и наполнителя 1 3 7 28

Тонкомолотый цеолит 6,0 6,1 6,4 7,9 16,5

I Тонкомолотый бой керамического кирпича 5,6 5,4 6,6 10,0 15,8

Тонкомолотый цеолит 8,1 8,4 ИД 11,2 17,4

II А Тонкомолотый бой керамического кирпича 8,0 8,5 • 8,8 8,8 14,3

Тонкомолотый цеолит 5,4 5,5 7,6 10,3 12,2

III Тонкомолотый бой керамического кирпича 4,8 6,3 6,4 6,4 8,2

Тонкомолотый цеолит 3,0 4,1 4,1 7,93 12,2

IV Тонкомолотый бой керамического кирпича 5,6 5,6 5,6 9,9 11,3

Тонкомолотый цеолит 9,4 10,5 10,6 14,3 15,6

I Тонкомолотый бой керамического кирпича 8,8 9,3 9,4 11,4 12,2

Тонкомолотый цеолит 9,1 9,4 11,1 11,2 17,0

II Б Тонкомолотый бой керамического кирпича 10,2 10,5 10,8 12,8 15,6

Тонкомолотый цеолит 3,0 4,1 5,4 7,9 14,2

III Тонкомолотый бой керамического кирпича 5,6 5,4 5,6 10,0 12,6

Тонкомолотый цеолит 2,9 4,1 5,4 7,9 8,9

IV Тонкомолотый бой керамического кирпича 5,6 5,6 5,6 9,9 13,2

Определено, что коэффициент размягчения прессованных портландито-алюмосиликатных композитов составляет 0,75 - 0,85. Это свидетельствует об относительно высокой водостойкости материала и доказывает, что прочность материала определяется возникшими связями физико-химического порядка, а не силами капиллярного стяжения.

По результатам модельных исследований для Б-варианта технологии, как наилучшего решения, предлагается применение II -го способа подготовки

кристаллов портландита, когда гидратация ведется при температуре воды и компонентов 100 0 С. Такое решение способствует получению максимума прочности образца после компактирования.

В раздельном А - варианте, который в целом уступает Б - варианту, рекомендуется реализовывать 1 - ый способ подготовки кристаллов портланди-та, когда гидратация СаО осуществляется в нормальных температурных ус-ловияхпри (17 ± 2) °С. Это обеспечивает минимум дополнительных (на разогрев компонентов) энергетических затрат в технологии.

Методом электронной микроскопии (рис. 6) определено, что структура композита складывается из плотно уложенных кристаллов размером до 0,3 - 0,6 мкм, образующих слитный конгломерат.

Рис. 6 - Элсктронно-микроскопические фотографии портландито-алюмосиликатного композита с наполнителем: 1- молотый цеолитовый туф, 2- молотый бой керамического кирпича

Данные ИК-спектроскопии (рис. 7), а также рентгенографические данные (рис. 8) свидетельствуют о формировании в композите связей как между кристаллами портландита, так и между кристаллами портландита и алюмо-силикатным компонентом. На спектрограммах наблюдаются полосы валентных колебаний СаО-(560 -600 см "'), [81, А1]-0 при 900-1100 см , на рентгенограмме отмечены пики, соответствующие как Са(ОН)2 - <1 — 2,63; 1,916; 1,68 А), так и линии, характерные для низкоосновных гидросиликатов Са (Л = 3,34; 3,07; 2,42; 1,876 А) и гидроалюминатов Са.

Проведенные структурные исследования свидетельствуют о том, что при использовании активных алюмосиликатных компонентов реализуются механизмы отвердевания за счет формирования кристаллических сростков, то есть кристаллитной структуры портландитовой матричной субстанции при одновременном образовании композитной структуры и развитии механо-физико-химических связей портландита с алюмосиликатным компонентом по обозначенным ранее механизмам.

а. С

0,2

п

1000 2000 3000 Волновое число, см"!

0.8 «,7

- ё

" I ^

О

- & V с

. а. о,в С

0,2

4000

1000 2000 3000

Волновое число, см"

4000

Рис. 7 - ИК-спектрограммы композиционного материала с наполнителем: 1- тонкомолотый цеолитовый туф; 2- тонкомолотый бой керамического кирпича

1300

1200

ахоо

аооо

и

X ЭОО

всю

ТОО

еоо

(Я 500

Ж •ада

Я 200

100

о

1

1 2

\ о

- й

X 7 8 гм " 1 - оо

1 1 1 -

« /

—

Угол 20, град

1300 1200 1100 1000 ЭОО 800 700 600 500 400 ЗОО 200 100

2 о

г- -С! V©

ч

N— со со <э ГЧ VI — оо

ч —сч—гч-- л

мил

Рис. 8 - Рентгенограммы образцов: 1-молотого цеолитового туфа; 2- молотого боя керамического кирпича 17

Угол 26, град

Исследование и оптимизация рецептурно-технологических факторов получения портландито-алюмосиликатного композита

Второй этап исследований проводили методом активного планирования эксперимента для решения трех оптимизационных задач, связанных с критериями цели: 1) максимума прочности непосредственно после формования; 2) максимума количества наполнителя в композите при условии достижения задаваемой прочности; 3) минимума величины прессового давления с условием получения регламентированной прочности. В качестве варьируемых факторов приняты массовая доля алюмосиликатного наполнителя по отношению к портландиту Н:П, влажность сырьевой смеси по показателю В/Т, прессовое давление Р.

Эти факторы для использованных видов наполнителя, способов и вариантов получения кристаллов портландита и формовочной смеси кодированы соответственно как X, %; Х2, %; Х3, МПа (табл. 4).

Таблица 4

Входные факторы и пределы их изменения в эксперименте 23_

Наименование технологических факторов Массовая доля наполнителя, % Влажность сырьевой смеси, % Прессовое давление, МПа

Кодированные обозначения Хз

Основной уровень 50 12 80

Верхний уровень 80 16 120

Нижний уровень 20 8 40

Верхняя «звездная»точка 91 17,5 135

Нижняя «звездная точка» 9 6,5 25

По результатам проведенных экспериментов и их математической обработки получены полиномиальные модели показателя предела прочности при сжатии (Исж, МПа) и плотности (рт _ кг/м3 ) композита:

Ясж (1,(А), К} =6,68 -1,83X1+ 2,4 Х3-0.52Х,2 -0,51Х2+0,37Х32- 0,15Х,- Х2 -1.69Х,- Х3;

Исж {II,(Б), К} = 9,53-1.13Х1+1.99Х3-0.92Х,1-0.35Х!2+1,55Х32+0,73Х1Х1-1,2Х1Х3-0,65ХгХ};

Ясж {1,(А), Ц) =7,09-1,59X1+1,05Х2+2,92Х3+1,28Х32-0,88Х,Х3+0,45Х2Х3;

Ясж {И,(Б), Ц} =9,51-2,72Х,+0,ЗЗХ2+4,08Хз-1,52Х2+1,22Х2-2,36Х, Х3;

рт {ЦА), К} =1612+62,36Х,+ 25,14Х2+81,01 Х3-29,56Х2-21,25Х2 Х3;

рт {I, (Б), К} -1 712+63,16X1+24,53 Х2 + 78,11Х3-28,36Х3 -20,45Х2 Х3;

рт {I, (А), Ц} =1693,3+56,6Х,+60,22Х,7+35,01ХгХ3-55,ЗХ2Х3;

рт {II, (Б), Ц} =1678,6-33,23Х,+ 70,2Х3+37,05 X,2+24,2Х22+27,5Х, Х2;

где обозначения {I, (А), К}, {II, (Б), К}, {I, (А), Ц}, {II, (Б), Ц}- соответствуют показателям 1*сж и рт пределу прочности при сжатии и средней плотности непосредственно после изготовления, при компактировании кристаллов портландита, полученных по I или II способу гидратации соответственно, по раздельной (А) или совмещенной (Б) технологии, (К) - с наполнителем- тонкомолотый бой керамического кирпича, (Ц) - с наполнителем- тонкомолотый цеолитовый туф.

По уравнениям регрессии построены поверхности отклика (рис. 9), которые иллюстрируют границы значений параметров получения изделий с максимально возможной прочностью непосредственно после компактирова-ния.

А - вариант технологии и I способ подготовки кристаллов портландита

тонкомолотыи цеолит тонкомолотый бой керамического кирпича

Б - вариант технологии и II- ой способ подготовки кристаллов портландита

тонкомолотый цеолит тонкомолотый бой керамического кирпича

Рис. 9 - Поверхности отклика, отражающие зависимость предела прочности при сжатии от технологических параметров при фиксированном значении удельного давления прессования 120 МПа при реализации раздельной (А - вариант) и совмещенной (Б - вариант) технологии для указанных способов подготовки кристаллов портландита

Установлено, что с увеличением давления прессования (фактор Х3) во всех случаях прочность растет при сравнительно одинаковой средней плотности (1700 - 1790 кг/м3 и 1800 - 1860 кг/м3). При максимальном давлении прочность непосредственно после формования составляет 8,7-10,5 МПа для композита с наполнителем - тонкомолотый бой керамического кирпича и 10,5-14,5 МПа для композита с наполнителем - тонкомолотый цеолитовый туф. Увеличение содержания наполнителя в композите выше 28-32 % снижает его прочностные показатели. Увеличение влажности смеси (фактора Х2) свыше 15 % сопровождается снижением значения прочности непосредственно после формования.

Для поставленных вариантов оптимизационных задач по полиномиальным моделям определены рациональные значения рецептурно-технологических факторов (табл. 5).

Таблица 5

Рациональные значения рецептурно-технологических факторов_

Критерий цели Вид алюмоси-ликатного компонента Вариант технологии Массовая доля компонента, % Влажность формовочной смеси, % Прессовое давление, МПа Предел прочности при сжатии непосредственно после формования, МПа

II 3 1 Цеолитовый А 28-30 10-12 100-110 >(11-13)

ТУФ Б 28-30 10-12 100-110 >(13-15)

г* ой Бой керамиче- А 30-32 10-12 110-120 >(8-10)

ского кирпича Б 30-32 10-12 110-120 >(9-11)

II Цеолитовый туф А 20-25 9-11 90 >10

о К 0* ой Б 20-25 9-11 90

Бой керамиче- А 30-32 10-12 100-110

О. ского кирпича Б 30-32 10-12 100-110

Цеолитовый А 42-45 12-14 >120 >9 к 3-м сут

о4 >—1 * туф Б 40-45 10-12 >120 9 - 10 к 3-м сут

^ л Бой керамического кирпича А 38-42 9-11 >120 8-10

СУ Б 38-43 8-10 >120 9-11 к 3-м сут

При оптимальных рецептурно-технологических факторах получен материал, обладающий прочностью непосредственно после формования 10-14 МПа и упрочняющийся к 28 сут до 20 МПа, а к 500 сут - до 25 МПа. Рост прочности в материале объясняется образованием связей по обозначенным нами механизмам как в портландитовой матрице, так на границе матрица-наполнитель при реализации синтезного механизма формирования новообразований.

Практическая реализация результатов работы

Для двух вариантов технологии разработаны технологические схемы, а для совмещенного (Б - варианта), предлагаемого нами как наиболее перспективного, разработаны предложения к технологическому регламенту изготовления прессованного кирпича; в стендовых экспериментах изготовлена опытная партия прессованного кирпича размерами 250x120x88 мм.

На основе разработанных предложений к технологическому регламенту подготовлен вариант компоновки технологической линии по производству прессованного кирпича мощностью 5 млн. шт. в год. В качестве основного оборудования линии предлагается применение дезинтеграторов, гидраторов барабанного типа, прессов. Линия может входить в состав муниципальных центров строительного производства.

Предлагаемая технология на основе реализации механизмов контактно-конденсационного твердения наряду с цементной (гидратационной), силикатной (гидротермально-синтезной) определяет еще один путь получения

камневидного состояния из однотипного исходного сырья. Проведенная оценка эффективности технологических разработок, и сравнение энергоемкостей существующих цементной, силикатной и предлагаемой контактно-конденсационной технологии показывает, что энергозатраты на достижение единицы прочности в 2-3 раза ниже в сравнении с «цементной» технологией и на 20-30 % ниже по сравнению с «автоклавной» технологией.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Реализована возможность получения композиционных материалов с известковыми (бесклинкерными) контактно-конденсационными системами твердения, обладающими способностью к упрочнению непосредственно при принудительном компактировании нано- и микродисперсных частиц исходных щелочных и кислотных оксидов и их гидратов, наделенных или целенаправленно наделяемых неравновесным энергетическим состоянием

2.Установлено, что алюмосиликатные материалы природного и техногенного происхождения в виде механо - активированных тонкодисперсных частиц могут быть применены в качестве наполнителей для получения порт-ландито-алюмосиликатных материалов контактно-конденсационного твердения, обладающих приемлемой мгновенной прочностью, возрастающей с течением времени.

' 3. Установлено, что алюмосиликатные наполнители природного и техногенного типа участвуют в сгруктурообразовании композита, при формировании кристаллических сростков кристаллов портландита, с развитием меха-но-физико-химических структурных связей между матрицей и частицами наполнителя. В системах с применением техногенного алюмосиликатного наполнителя наряду с гидратными фазами идет рост гидросиликатов кальция на дефектах механо - активированного алюмосиликатного компонента. Использование подобного алюмосиликатного сырья, которое содержит метаста-бильные минералы несовершенной структуры приводит к формированию новых соединений и новых связей между ними и портландитовой матрицей, что подтверждается данными ИКС, РФ А, РЭМ.

4. Разработаны технологические варианты сочетания извести и алюмосиликатного компонента, обеспечивающие возможность реализации раздельной технологии - (А - вариант) и совмещенной технологии - (Б - вариант). Показано преимущество совмещенной технологии, обуславливаемое началом образования структурных связей уже на стадии подготовки смеси.

5. Получены полиномиальные модели, отражающие влияние рецептур-но-технологических факторов (массовой доли наполнителя в формовочной смеси, влажности смеси, прессового давления) на прочность портландито-алюмосиликатного композита и позволяющие установить оптимальные составы для получения композита, обладающего максимальной прочностью непосредственно после формования.

6. Доказано, что при оптимальных составах и условиях компактирова-ния портландито-алюмосиликатная система обладает прочностью 10-15 МПа непосредственно после прессования, и способна к упрочнению до 25 МПа.

7. Доказана эффективность применения контактно-конденсационной технологии, обеспечивающей снижение энергозатрат на достижение единицы прочности в 2-3 раза в сравнении с цементной технологией и на 20-30 % в сравнении с автоклавной технологией. Это обуславливается исключением одного из энергозатратных переделов - тепловой и тепловлажностной обработки.

8. Разработаны предложения к технологическому регламенту изготовления прессованного безобжигового кирпича портландито-алюмосиликатного состава.

Результаты диссертации опубликованы в работах:

Статьи в рецензируемых журналах и изданиях:

1. Степанова, М. П. К разработке технологии портландитовых систем твердения для получения бесклинкерных строительных композитов / М.П. Степанова, Н. Д. Потамошнева, О. Б. Кукина // Известия Юго-Западного государственного университета - Курск, 2011 - № 5 (38). - С. 166-169.

2. Степанова, М. П. Портландито-алюмосиликатные контактно-конденсационные системы твердения и композиты на их основе: возможные механизмы структурообразования / Е.М. Чернышов, М.П. Степанова, Н.Д. Потамошнева // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура -Воронеж, 2012 - № 3(27). - С. 86-95.

3. Степанова, М. П. Портландито-алюмосиликатные контактно-конденсационные системы твердения и композиты на их основе: оптимизация определяющих условий и факторов технологии / Е.М. Чернышов, М.П. Степанова, Н.Д. Потамошнева// Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура - Воронеж, 2012 - № 3(27). - С. 96-105.

4. Степанова, М. П. Наноструктурные портландито-алюмосиликатные контактно-конденсационные системы твердения и композиты на их основе / М.П. Степанова, Н.Д. Потамошнева, Е.М. Чернышов, Ю.М. Баженов // Вестник МГСУ - Москва, 2013 - № 2. - С. 114-122.

Отраслевые издания и материалы конференций

5. Степанова, М. П. Компактированные композиционные материалы с контактно-конденсационными нано- и микроструктурированными матрицами из искусственного портландита / Е.М. Чернышов, Н.Д. Потамошнева, М.П. Степанова// Вестник Центрального регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук: сб.науч.ст. / РААСН, - Воронеж-Тамбов, 2009. - С.143-148.

6. Степанова, М. П. Строительные композиты с контактно-конденсационными нано-, микроструктурными матрицами из искусственного портландита / Е.М. Чернышов, Н.Д. Потамошнева, О.Б. Кукина, М.П. Степа-

нова // Материалы XV Академических чтений РААСН - международной научно-технической конференции, - Казань, 2010. - с.308-321.

7. Степанова, М. П. Портландито-алюмосиликатные бесцементные системы твердения и композиты И Технологии бетонов - Москва, 2012. №11-12 - С. 26-29.

8. Степанова, М.П. Оценка механо-химической активности карбонатных, силикатных и алюмосиликатных составляющих для композитов на основе систем твердения портландитового типа / О. Б. Кукина, М. П. Степанова, Н. Д. Потамошнева // Вестник ЦРО РААСН: Материалы академических научных чтений «Проблемы развития регионов в свете концепции безопасности и живучести урбанизированных территорий» / РААСН; ЮЗГУ, Курск -Воронеж, 2013. -Вып.12. - С. 268-279.

9. Степанова, М.П. Разработка на основе нанотехнологических подходов портландито-алюмосиликатных композитов с контактно-конденсационными структурами / Е. М. Чернышев, Н. Д. Потамошнева, М.П. Степанова // Сборник Фундаментальных научных исследований РААСН -Волгоград, 2013. №3- С. 101-110.

Подл, в печать 6.05.2013г. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 221.

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии издательства учебной литературы и учебно-методических пособий Воронежского государственного архитектурно-строительного ушверситета 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84.

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

На правах рукописи

04201358591

СТЕПАНОВА Мария Петровна

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДИТО-АЛЮМОСИЛИКАТНОЙ КОНТАКТНО-КОНДЕНСАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ТВЕРДЕНИЯ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д-р техн. наук, академик РААСН, проф. Чернышов Е.М.

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

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

Бесклинкерные системы твердения в производстве строительных материалов и изделий: состояние вопроса, обоснование задач и содержание исследований....................................................... 12

1.1 Обзор работ по изучению бесклинкерных (бесцементных) вяжущих и систем твердения на их основе в сочетании с компонентам природного и техногенного состава................ 16

1.2 О концепции научно обоснованного решения формирования компактированных контактно-конденсационных систем твердения на основе матрицы из искусственного портландита

и наполнителя алюмосиликатного состава.......................... 28

1.3 Возможные механизмы образования структурных связей в портландито-алюмосиликатных композитах..................... 36

1.4 Задачи и содержание исследований.................................. 43

Структурообразующие компоненты бесклинкерных (изветковых) систем твердения и строительных композитов............................ 46

2.1 Портландит - как структурообразующий компонент искусственного портландитового камня................................ 46

2.2 Алюмосиликаты как структурообразующий компонент портландито-алюмосиликатных систем твердения и композитов........................................................................ 53

2.3 Основные положения методики, методы экспериментальных исследований, применяемые материалы....................... 64

2.3.1 Методы изучения фазового состава сырьевых и синтезированных материалов................................................... 66

2.3.2 Методы определения физико-механических характеристик материалов.............................................................. 68

3 Экспериментальные исследования по получению контактно-конденсационных систем твердения и композитов....................... 70

3.1 Разработка способов получения индивидуальных микроразмерных кристаллов портландита и обоснование условий их консолидации в мгновенно упрочняющийся портландитовый камень.................................................................... 70

3.2 Изучение структурных особенностей выбранных алюмоси-ликатных компонентов.............................................. 84

3.3 Оценка физико-химической активности алюмосиликатных компонентов............................................................. 89

3.4 Исследование возможности формирования компактированных контактно-конденсационных структур композитов из портлан-дитовой матрицы и зерен наполнителя..................................................99

3.4.1 Получение композиционного материала при реализации раздельной технологии ( А -варианта)............ 105

3.4.2 Получение композиционного материала при реализации совмещенной технологии ( Б-варианта)........... 110

3.5 Особенности формирования микроструктуры композитов и синтеза новообразований.............................................. 115

3.5.1 Структурные особенности композита с природным наполнителем ............................................................... 115

3.5.2 Структурные особенности композита с техногенным наполнителем............................................................ 121

3.6 Выводы.................................................................... 128

4 Исследование и оптимизация рецептурно-технологических факторов получения композиционных материалов на основе портландитовой матрицы и наполняющего материала алюмосиликатного состава....... 129

4.1 Определение оптимальных рецептурно-технологических факторов получения композита с наполнителем - тонкомолотый цеолит...................................................................... 132

4.2 Определение оптимальных рецептурно-технологических факторов получения композита с наполнителем - тонкомолотый отход керамического производства......................................................................145

4.3 Выводы.................................................................. 161

5 Инновационный потенциал исследований и технологических решений по получению компактированных контактно-конденсационных структур композитов из портландитовой матрицы и зерен наполнителя алюмосиликатного состава.............................................. 162

5.1 Технологические решения производства портландито-алюмосиликатного безавтоклавного кирпича..............................162

5.2 Технико-экономическая целесообразность разработанных технологических решений по производству бесклинкерных безавтоклавных строительных композитов....................... 169

5.3 Сравнение эффективности технологических разработок по принципиальным статьям затрат..................................... 172

Основные выводы..................................................................... 173

Список литературы.................................................................... 175

Приложение А Предложения к технологическому регламенту............ 191

Приложение Б Компоновочные решения технологической линии........ 197

Приложение В Акт практической реализации результатов научно-исследовательской работы......................................................................

198

Приложение Г Акт внедрения результатов научно-исследовательской работы в учебный процесс.....................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. С древнейших времен известковые, известково-пуццолановые, известково-цемяночные, известково-глинитные вяжущие, составы которых наши предки нашли эмпирическим путем, широко и повсеместно использовались в строительстве. Еще в первой половине XX века эти вяжущие занимали значительное место в строительной практике. Развитие производства и относительная доступность цемента привели к существенному снижению спроса на многие бесклинкерные, в том числе и известковые (портландитовые) вяжущие.

Сегодня приоритеты научно-прикладных технологических разработок как традиционных строительных материалов, так и материалов новых поколений определяются актуализацией концепции и критериев ресурсосбережения и энергоэффективности. Поэтому на современном витке развития строительного материаловедения и промышленных производств, востребованными могут оказаться системы твердения и композиты, получаемые на основе портландита по энергосберегающей контактно-конденсационной технологии. В существе теории этой технологии, опирающейся и на наноподходы, лежит идея о том, что дисперсное аморфное или кристаллическое вещество, находящееся в нестабильном энергетическом состоянии, обладает способностью к конденсации и образованию твердого тела. Реализуя принципы этой идеи, возможно обеспечить формирование систем твердения и композитов из предварительно подготовленных и наделенных неравновесностью энергетического состояния нано- и микроразмерных кристаллов портландита, используемых в смеси с кислотными (включая алюмосиликатные) компонентами природного и техногенного типа. Такие смеси рассматриваются в работе в качестве объекта исследования. Изучение закономерностей структурообразования систем твердения и композитов при этом принимается в работе в качестве предмета исследований.

Таким образом, работа посвящена решению связанных с объектом и предметом исследований вопросов, относящихся к рассмотрению возможностей достижения твердого состояния строительных композитов на основе известковых (бесклинкерных) систем твердения в результате реализации управляемых механизмов контактно-конденсационного структурообразования непосредственно в процессе компактирования смеси нано- и микроразмерных кристаллов портландита и частиц кислотных оксидов и их гидратов без применения тепловой обработки.

Постановка этих исследований отвечает принятой цели диссертационной работы - разработке технологии строительных композитов на основе компактирования кристаллов портландита и компонентов алюмосиликатного состава природного и техногенного типов, с учетом механизмов контактно-конденсационного структурообразования.

Задачи исследований:

1. Рассмотреть возможность получения композиционных материалов с известковыми (бесклинкерными) контактно-конденсационными системами твердения, обладающими способностью к упрочнению непосредственно при принудительном компактировании нано- и микродисперсных частиц исходных щелочных и кислотных оксидов и их гидратов, наделенных или целенаправленно наделяемых неравновесным энергетическим состоянием.

2. Дать анализ механизмов структурообразования кристаллитной (портландитовой) и композитной (портландито-алюмосиликатной) систем твердения при сочетании нано- и микроразмерных кристаллов портландита с микродисперсными и тонкозернистыми алюмосиликатными по составу компонентами.

3. Исследовать закономерности получения индивидуальных нано- и микроразмерных кристаллов портландита с неравновесным энергетическим состоянием и предложить технологические варианты гидратации извести в различных условиях и сочетаниях ее с алюмосиликатным компонентом.

4. Экспериментально подтвердить возможность получения материала

портландито-алюмосиликатного состава с учетом структурообразующей роли компонентов при формировании композита.

5. Провести оптимизацию составов и технологических режимов получения портландито-алюмосиликатного композита.

6. Оценить основные физико-механические характеристики полученного материала, разработать предложения к технологическому регламенту производства портландито-алюмосиликатных композитов и направления его практической реализации.

Диссертационная работа выполнялась в рамках программы фундаментальных научных исследований РААСН по приоритетному направлению «Развитие теории и основ конструирования строительных наноструктурированных композитов нового поколения», в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ «Разработка и развитие основ конструирования высокотехнологичных функциональных строительных композитов нового поколения».

Научная новизна работы:

- установлено, что возможность формирования в компактируемом композите различных по величинам прочных связей предопределяется мерой неравновесности энергетического состояния сырьевых компонентов, которое в отношении искусственного портландитового камня достигается изменением способов получения индивидуальных кристаллов портландита, а в отношении алюмосиликатного компонента - применением механо-химической активации посредством тонкого измельчения;

показано, что на развитие физико-химических явлений структурообразования и, следовательно, на прочность композита непосредственно после формования влияют состояние кристаллов портландита, определяемое способами их подготовки, а также технологическая вариантность получения портландито-алюмосиликатного композита по раздельной (А - вариант) и совмещенной (Б - вариант)

технологиям подготовки сырьевых смесей, включающих природный алюмосиликатных компонент - цеолит и техногенный -керамический бой;

доказано, что при структурообразовании портландито-алюмосиликатного композита параллельно реализуются несколько его механизмов: механизм кристаллохимического двойникования при формировании связи «портландит-портландит», синтезный механизм образования новых фаз при развитии структурных связей «портландит-алюмосиликатный минерал», механизм кристаллохимической эпитаксии для связи «портландит - кальцит» и «портландит-кварц»; показано, что основными продуктами новообразований в портландито-алюмосиликатном композите являются гидроалюминаты и гидросиликаты кальция;

- обоснованы и выделены определяющие условия и факторы, оказывающие влияние на формирование структуры и прочности композиций портландита с тонкомолотым цеолитом, с тонкомолотой грубой керамикой; в состав этих условий входят способы получения кристаллов портландита, вариант технологического сочетания кристаллов портландита с кислотным компонентом, а также рецептурно-технологические факторы - массовая доля алюмосиликатного компонента, прессовое давление, влажность формуемой сырьевой смеси.

Практическое значение работы:

- впервые методом компактирования получены композиты на основе матрицы из кристаллов портландита и природных и техногенных алюмосиликатных наполнителей, обладающие «мгновенной» прочностью до 10 МПа, которая к 28 сут возрастает более чем в 2 раза;

- на основании вероятностно-статистических моделей, полученных при проведении эксперимента методом активного планирования, для трех вариантов оптимизационного критерия цели (максимума прочности непосредственно после формования; максимума количества наполнителя в композите для достижения задаваемой прочности; минимума величины прессового давления для обеспечения назначенной начальной прочности)

предложены решения по составам исходных портландито-алюмосиликатных смесей и технологическим условиям, обеспечивающим формирование рациональных структур;

- установлено, что энергозатраты в расчете на единицу измерения прочности композита, получаемого по «контактно-конденсационной технологии» в 2-3 раза ниже в сравнении с «цементной технологией» и на 2030 % ниже в сравнении с «автоклавной технологией».

Прикладное значение диссертационных исследований заключается в разработке технологических вариантов получения бесклинкерных (известковых) строительных материалов с использованием природных и техногенных алюмосиликатных компонентов; в обосновании решений по

л

составам композита, обеспечивающим получение прочности композита непосредственно после формования без тепловой обработки; в разработке предложений по технологии изготовления мелкоштучных стеновых изделий и компоновочных решений производственных линий.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно обоснованных методик комплексных оценок состава, структуры, состояния и свойств материалов, методов планирования экспериментов, моделирования и оптимизации, вероятностно-статистических методов обработки полученных результатов.

Реализация результатов работы. По результатам работы подготовлен «Технологический регламент на изготовление прессованного кирпича на основе кристаллов портландита и тонкомолотого алюмосиликатного компонента», предложены компоновочные решения технологической линии производительностью 5 млн. шт. в год.

Теоретические положения и результаты исследований используются в учебном процессе при постановке учебно-исследовательских работ по дисциплинам «Основы научных исследований и технического творчества», «Методы исследования неорганических веществ и материалов» для бакалавров направления 270800 «Строительство» профиля 270800.62

«Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций», по дисциплине «Основы технологи строительных материалов и композитов» для бакалавров направления 020300.62 «Химия, физика и механика материалов».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на XV академических чтениях РААСН (Казань, 2010 г.), на международной конференции «Биосферно-совместимые технологии в развитии регионов» (г. Курск, 2011 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского ГАСУ (2009 - 2012 гг.).

Автор защищает:

- выдвинутые положения о возможных механизмах формирования структурных связей контактно-конденсационного типа в компактируемых портландито-алюмосиликатных композициях;

результаты комплексного исследования идентификационных структурных характеристик компонентов, входящих в состав композита;

- разработанные технологические варианты получения кристаллов портландита при гидратации извести в различных условиях и вариантах сочетаниях ее с алюмосиликатным компонентом;

- результаты экспериментальных исследований структурообразования и свойств портландито-алюмосиликатных систем твердения и композитов с использованием природных и техногенных сырьевых материалов алюмосиликатного типа;

результаты оптимизации составов и параметров получения портландито-алюмосиликатных композитов контактно-конденсационного твердения;

предложения к технологическому регламенту изготовления прессованных мелкоштучных изделий из смесей портландито-алюмосиликатного состава и компоновочные решения технологической линии.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, из них четыре в ведущих рецензируемых научных журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, приложений и содержит 199 страниц, включая 26 таблиц, 68 рисунков, список литературы из 166 наименован�