автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Влияние генетических особенностей кварца на синтез новообразований в системе CaO-SiO2-H2 O

СП

с^г СГ)

О

со _ !— 01 О. I

На правах рукописи

СТРОКОВА Валерия Валерьевна

ВЛИЯНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ КВАРЦА НА СИНТЕЗ НОВООБРАЗОВАНИЙ В СИСТЕМЕ СаО-БЮг-НгО

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1997

Работа выполнена в Белгородской государственной технологической академии строительных материалов

Научные руководители - д.т.н., проф. Рахимбаев Ш.М.

- академик МАМР, к.т.н., доц. Гридчин A.M.

Официальные оппоненты

засл. деятель науки и техники Российской Федерации, академик Жилищно-Коммунальной Академии, д.т.н., проф. Рыбьев И.А. к.т.н., с.н.с. Левкова Н.С.

Ведущая организация

Всероссийский научно-исследовательский институт ВИОГЕМ

Защита состоится " 11" июня 1997 года в час.

на заседании диссертационного совета К 063.08.01 в Московском институте коммунального хозяйства и строительства по адресу: 109807, г. Москва, Ж-29, Средняя Калитниковская ул., д. 30, МИКХиС, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института коммунального хозяйства и строительства.

Автореферат разослан " 8 " мая 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бунькин И.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. По мере совершенствования строительного роизводства повышаются требования к качеству строительных мате-налов, расширяется их ассортимент, растут требования к сырью. Это одразумевает с одной стороны, поиски новых технологических решений , с другой - более глубокое и всестороннее изучение энергетики исход-ого сырья.

В процессе совершенствования технологии производства ис-усственных конгломератов наряду с использованием новых видов сырья амечается тенденция изменения роли некоторых минералов. Следует собо подчеркнуть эволюцию функций кварца от отощителя в керамике, аполнителя бетонов и растворов до активного компонента известково-ремнеземистого вяжущего, тонкомолотых цементов, вяжущих низкой одопотребности, керамобетонов.

В традиционных материалах (строительный раствор, бетон, кера-шка и т.д.) стремятся использовать средне- и крупнозернистый кварце-;ый песок, который играет роль заполнителя, что уменьшает расход до-югостоящего вяжущего и усадочные явления. Перспективными тте риалам и на основе кремнеземистого сырья являются ячеистые мате-шалы автоклавного твердения, тонкомолотые цементы, вяжущие низкой юдопотребности, материалы контактно-конденсационного твердения, :интез которых основан на использовании тонкодисперсной фазы сремнеземистого компонента и др.

Технология производства прогрессивных материалов основана на жтивизации роли кварца при синтезе новообразований. Активизация осуществляется путем дезинтеграции кварцсодержащих пород до удельной поверхности 500-1600 м2/кг, обработкой поверхностно-активными аеществами и т.д. В этом случае минерал выступает в роли более активного компонента твердеющих систем. Значительную роль при этом играют примеси, дефекты кристаллической решетки, наличие многофазных включений, их химический состав и многие другие факторы, связанные с генетическими особенностями кремнезема.

Представляется необходимым изучение влияния важнейших типо-морфных признаков кварца различного генезиса на гранулометрию, форму и морфологию поверхности диспергированных частиц, механизм и кинетику образования гидросиликатов кальция, структурно-текстурные характеристики материалов гидротермального твердения,

что позволит ранжировать кварцсодержащие породы по степени эффективности их использования в качестве сырья стройиндустрии, выявить способы оптимизации составов известково-кремнеземистогс вяжущего при использовании любого генетического типа кварца, расширить сырьевую базу материалов гидратационного твердения путем использования нетрадиционных кварцевых пород.

Целью работы является исследование влияния генетических особенностей кварца на синтез новообразований в системе СаО-БЮг-НгО и структурно-текстурные особенности силикатных автоклавных материалов.

Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:

- обобщение литературных данных по изучению генетических особенностей кремнезема, выделению типоморфных признаков кварца и их эволюции при метаморфизме;

- изучение образцов кварца, используемых для синтеза новообразований и силикатных материалов;

- исследование строения и состава кремнеземсодержащих метамор-фогенных пород КМА, затронутых процессами выветривания;

- изучение механизма и кинетики образования гидросиликатов кальция, их фазового состава и морфологии на основе кремнезема различных генетических типов;

- исследование структурно-текстурных характеристик силикатных автоклавных материалов на основе традиционного сырья;

- изучение строения изделий на основе кварцсодержащих пород разного генезиса и его влияния на прочностные показатели строительных материалов;

- разработка методики описания строительных материалов гидратационного синтеза;

- разработка составов для производства силикатных автоклавных материалов на основе кремнеземсодержащих пород различного генезиса;

- разработка рекомендаций по использованию метаморфогенных пород, затронутых процессами выветривания.

Научная новизна работы:

- установлен характер влияния генетических особенностей кварца на его реакционную способность в гидротермальных условиях;

- предложен генетический подход к проблеме выбора кварцсодер-ащего сырья; основные типы кварца проранжированы по снижению юргоемкости при производстве силикатных автоклавных материалов;

- составлена классификация сырья КМА для производства строительных материалов автоклавного твердения;

- предложены пути оптимизации структуры силикатных изделий.

Практическое значение работы:

- на основании выявленных закономерностей влияния генетических собенностей кварца на свойства строительных материалов автоклавно-о твердения предложены дополнения ОСТ 21-1-80 "Песок для произ-одства силикатных изделий автоклавного твердения";

- предложена рациональная область использования ранее не вос-ребованных вмещающих пород КМА - выветрелых кварцитопесчани-:ов, составлены рекомендации по их использованию в качестве сырьевых омпонентов при производстве силикатных изделий;

- разработан состав для производства плотных автоклавных сили-:атных материалов на основе отсева дробления попутно добываемых :варцитопесчаников КМА фракции 0-2 мм. Экономический эффект от шедрения составит 3861 млн.руб. (или 39,96 тыс.руб./1 тыс.шт.усл.кирп.);

- разработан состав для производства ячеистых автоклавных сили-<атных материалов оптимизированной структуры;

- предложена методика описания материалов гидратационного твердения.

Внедрение результатов работы:

- для строящегося в г.Сургут Тюменской области завода силикатных стеновых материалов разработан и передан технологический регламент для производства мелких стеновых блоков из газосиликата, в соответствии с которым планируется строительство цеха;

- Белгородскому территориальному управлению геологии и использования недр переданы рекомендации по применению нетрадиционного для стройиндустрии сырья - выветрелых кварцитопесчаников;

- результаты исследований и методика описания строительных материалов внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров по специальности 29.06.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и

конструкций" (г. Белгород, 1993 гг.), на 2-й международной научно-практической конференции "Вопросы планирования и застройки городов" (г. Пенза, 1995 г.), на вторых Академических чтениях РААСН "Современные проблемы строительного материаловедения" (г. Казань, 1996).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 8 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 202 страницах машинописного текста, включающего 18 таблиц, 72 рисунка и фотографий, список литературы из 157 наименований, 13 приложений.

На защиту выносятся:

- результаты изучения особенностей гранулометрии, формы и морфологии поверхности дезинтегрированных образцов кварца различных генетических типов;

- характер влияния основных типоморфных признаков кварца на фазовый состав и морфологию новообразований системы СаО-БЮг-ШО;

- ранжирование генетических типов кварца по эффективности его использования в качестве сырья для получения материалов гидротермального синтеза;

- результаты изучения структурно-текстурных характеристик автоклавных материалов на основе различных генетических типов кварца и их влияния на прочностные показатели;

- методика описания материалов гидротермального синтеза;

- теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности использования затронутых процессами выветривания вскрышных кварцсодержащих пород КМА для производства силикатных автоклавных материалов как компонента вяжущего;

- разработка оптимальных составов и технологии изготовления силикатного кирпича с использованием отходов горнорудного производства.

Диссертационная работа выполнена в рамках единого заказ-наряда на проведение научно-исследовательских работ, финансируемого из средств федерального бюджета, утвержденного Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показано современное состояние проблемы использо-ания кварцсодержащего сырья для получения силикатных автоклавных [атериалов.

В первой главе приведен литературный обзор, в котором изложены раткие сведения о кристаллической структуре кварца, классификация го генетических типов и эволюция типоморфных признаков при мета-юрфизме; описаны исследования по изучению системы СаО-БЮг-НгО; «характеризована сырьевая база материалов автоклавного твердения.

Рабочей гипотезой является зависимость реакционной способности ;варца в системе СаО-БЮг-ШО от количества и вида структурных дефектов, включений минералов и минералообразующей среды, содержаще которых закономерно изменяется в следующем ряду генетических типов кварца: 1) кварц метаморфических пород, 2) кварц древних гра-штоидов, 3) кварц молодых гранитоидов, 4) жильный (гидротермальный и пневматолитово-гидротермальный) кварц, 5) кварц пегматитов, 6) кварц кислых эффузивов. Эти генетические типы характеризуются гремя группами типоморфных признаков: структурные дефекты, вклю-лення минералов, включения минералообразующей среды. Все разновидности структурных дефектов обусловлены определенными несовершенствами кристаллической решетки, что являлось определяющим при выборе кварца.

Во второй главе описаны стандартные и детально охарактеризованы нетрадиционные методы исследования. Приведены результаты изучения вещественного состава кварцсодержащих пород, используемых в работе.

Для апробации предложенной гипотезы, исходя из классификации генетических типов кварца, для синтеза новообразований в системе СаО-БЮг-ШО были выбраны метаморфогенный кварц, гидротермальный, искусственно-выращенный (т.е. бездефектный), кварц песков и кремнекислота.

Предложена генетическая классификация сырья, распространенного на территории КМА, используемого для получения автоклавных материалов (табл. 1).

Для реализации теоретических данных и лабораторных исследований, при получении силикатных автоклавных материалов, были использованы пески Нижне-Ольшанского месторождения, применяемые для

производства силикатных изделий, кварцитопесчаники зеленосланцевой фации метаморфизма и, не применяемые в стройиндустрии, кварцитопесчаники Лебединского месторождения КМА, затронутые процессами выветривания.

Таблица 1

Генетическая классификация сырья КМА для получения автоклавных материалов

Группа Класс Тип Название породы Области применения

Экзогенные Континентальные осадки Эолово-аллюви- ально-эллюви- альные Суглинки Компонент вяжущего

Аллювиальные Пески Заполнитель и компонент вяжущего

Морские осадки Прибрежно-морские Пески

Умеренных глубин Глины опоко-видные Компонент вяжущего

Техногенные Механо-генные Отходы дробления скальных пород на щебень Песчаная фракция кварцито-песчаников Заполнитель и компонент вяжущего

Песчаная фракция сланцев

Вскрышные породы месторождений КМА Пески

Вмещающие породы железистых кварцитов КМА Выветрелые сланцы Компонент вяжущего

Выветрелые кварцитопесча- чаники

Выветрелые кварцитопесчаники представляют собой мономине-|альные породы на 94 % состоящие из SiCh, с массивной, реже нечетко ыраженной грубополосчатой текстурой, мелкозернистой (с размером ерен 2-0,2 мм) структурой. Они отличаются повышенной трещинова-остью, сахаровидным обликом, за счет частичной маршаллитизации :варца. Основную массу составляет кварц с извилистыми, вдавленными в ipyr друга зернами, запыленными гидроокислами железа. В местах на-фяжения кристаллической решетки появляются трещины, на границе ¡ерен кварца наблюдаются изменения, свидетельствующие об образова-ши вещества с другими показателями преломления.

При синтезе новообразований в суспензии исходные компоненты федварительно подвергались совместному сухому помолу до удельной юверхности 500 м2/кг. Весовое соотношение Ca0/Si02 (C/S)=0,8; водот-зердое отношение (В/Т)=1.

Для проведения гранулометрического анализа вещества использо-зались стандартный ситовой анализ на ситах с размером отверстий 3,315 мм, 0,2 мм, 0,16 мм, 0,063 мм, метод мембранного фракционирования и визуальный качественный анализ по результатам электронно-микроскопических исследований.

Мембранное фракционирование вещества осуществлялось на аналитическом мембранном устройстве (АУФ) производства ГПП "Биоспектр" (г. Санкт-Петербург). Разделение проводилось на мембранах с диаметром пор от 0,1 мкм до 10 мкм. Число ступеней 5, количество мембран на каждую ступень - 1.

С помощью палетки по микрофотоснимкам была оценена площадь, занимаемая частицами размером 200-60 мкм, 60-20 мкм, менее 20 мкм.

Микрофотосъемка образцов проводилась на растровом электронном микроскопе (РЭМ)-800 фирмы HITACHI (Япония). Изображение получено в режиме вторичной электронной эмиссии. Для получения качественного изображения в РЭМ применялась методика термического напыления золотом образцов в вакууме. Толщина напыленной пленки 10 нм.

Химический анализ синтезированных образцов проводился методом растрового сканирования на электронном микроскопе CAMSCAN "40V" (Англия) с энергодисперсионным анализатором LINK AN-10000.

Дериватограммы образцов были получены на дериватографе Q-1500. Программный нагрев печей осуществлялся электронным термо-

нагревателем от 20 до 1000°С со скоростью 20°С/мин. Температура (Т) измерялась платиновой термопарой с точностью ~5°С. Регистрация сигнала осуществлялась на бумаге четырехканальным самописцем со скоростью развертки 2,5 мм/мин. Разность температур (ДТ) между изучаемым веществом и эталоном, пропорциональная тепловому эффекту, записывалась в виде кривой ДТА (чувствительность 500 мкВ). Одновременно с ДТА кривой шла запись кривой потери массы (ТГ) и ее производной (ДТГ) (чувствительность 500 мкВ). Вес проб - 113 мг. Точность взвешивания составляла ~0,05 мг.

ИК-спектры поглощения регистрировались на инфракрасном спектрофотометре UR-20 фирмы KARL ZEISS. Образцы для исследований готовились методом пасты в вазелиновом масле из навески ~1 мг. Интервалы волновых частот, в которых были получены ИК-спектры поглощения, составляют 400-1700 см"1 и 3000-3800 см-1.

Дифрактограммы снимались на дифрактометре ДРОН УМ-1. Съемка проводилась с применением Ка Со излучения, с использованием Fe-фильтра. Ускоряющее напряжение на рентгеновской трубке составляло 40 кВ, ток 35 мА. Интервал углов 29 составил 20-90°. Шаг сканирования h=0,05°, экспозиция 2 с. Идентификация дифрактограмм проводилась по каталогу ICPDS. Точность определения угла 8 составляла ~0,04°.

В третьей главе приведены результаты изучения образцов диспергированного кварца, гидросиликатов кальция, синтезированных на основе различных генетических типов кремнезема, и характер их взаимодействия с реликтовым кварцем.

Для выявления степени влияния генезиса кварца на процесс синтеза новообразований проводилось изучение гранулометрии дезинтегрированного исходного сырья.

Данные визуального анализа распределения частиц по размерам, проведенного по микрофотоснимкам, полученным на РЭМ, и анализа методом мембранного фракционирования, приводят к сопоставимым результатам.

Максимальное содержание фракции 2,5-10 мкм приходится на образец кварцитопесчаника, минимальное - на образец песка.

Разное распределение частиц молотого кварца различных генетических типов по фракциям свидетельствует об особенностях его поведения при дроблении. При фиксированном времени помола разрушение

варцитопесчаника происходит до более мелкой фракции, что опреде-яется спецификой его генезиса.

Наблюдаются существенные отличия исследуемых молотых образ-юв кварца по морфологии поверхности крупных зерен (более 10 мм). Все 1ни имеют преимущественно изометричную форму. Частицы кварца [есков и кварцитопесчаников обладают развитой поверхностью. Хоро-цо видны ступенчатые структуры скола. Менее развитая поверхность с >аковистым изломом характерна для частиц гидротермального кварца. Образцы искусственного занимают промежуточное место.

Частицы менее 10 мкм имеют неизометричную (ближе к пластинчатой, чешуйчатой) форму, причем, чем меньше размер зерен, тем они боке уплощенные. Исключение составляет мелкая фракция искусственного сварца, которая в большинстве своем повторяет форму крупных зерен. Искусственный кварц в данном случае можно считать эталоном. Наличие з нем дефектов структуры, примеси и другие отличительные черты, присущие кварцу разных генетических типов, можно считать минимальными.

Большое многообразие размеров и форм частиц кварца дезинтегрированного сырья является важным параметром. Оно приводит к разнообразию физико-химических условий в системе СаО-ЭЮг-НгО. В местах минимального положительного радиуса кривизны поверхности (в особенности мелких частиц) возрастает скорость растворения. Следствием этого является разнообразие морфологических типов синтезируемых новообразований.

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

Наблюдается положительная корреляция между количеством фракции менее 10 мкм исходного кремнеземистого сырья и количеством абсорбционной воды в образцах, подвергнутых автоклавной обработке по режиму 4+24+4 ч.

Низкоосновные гидросиликаты (принадлежащие группе тобермори-та) синтезированы на основе кварцитопесчаника и песка (рис. 1 ,а). По количеству же более высокоосновных новообразований на первом месте образец, исходным материалом которого являлась кремнекислота (рис. 1,6).

Рис. 1. Новообразования, синтезированные при 24-х час изотермической выдержки

а — на основе метаморфогенного кварца (РЭМ, хЗООО); б—ш основе кремнекислоты (РЭМ, х7000)

Полученные данные по 8 и 16 часам изотермической выдержки близки к данным, полученным японскими исследователями, которые в качестве исходного кремнеземистого сырья использовали халцедон, песчаник и метаморфический кварц.

При обработке дифрактограмм, определении фазового состава и с учетом данных электронной микроскопии предполагается следующая последовательность формирования новообразований. В начальный период автоклавирования происходит интенсивное растворение БЮг. В местах где раствор достиг пересыщенного состояния, кремнезем выпадает в осадок и образуется опал. Глобулярная структура основной массы (рис. 2), присущая всем образцам, подвергнутым 8 ч изотермической выдержке, наиболее ярко выражена у материала на основе кремнекислоты. Это свидетельствует о том, что не весь перешедший в раствор

деоксид кремния при данных ермодинамических условиях (ключается в реакцию с оксидом сальция. Новообразованные гид-)осиликаты кальция в боль-пинстве своем являются рент--еноаморфными (рис. 2).

На начальной стадии формируются гидросиликаты низкой эсновности с межплоскостным

о

расстоянием 14А, По мере увеличения времени автоклавной обработки происходит уплотнение структуры новообразований и в образцах, синтезированных по режиму 4+24+4 ч, образуются минералы сходные по структуре с

волластонитом, имеющие расо

стояние между слоями 7,ЗА. Количество опала, в зависимости от исходного типа кварца, в этих образцах различно.

Таким образом можно сказать, что исследованная система представляет собой высокомикропористый агрегат, состоящий из гидросиликатов кальция разной основности, а, следовательно, различной морфологии. Это определяется неоднородностью процессов, протекающих в каждом отдельно взятом образце. Параллельно с гидросиликатами встречаются реликтовый и новообразованный кварц, опаловидные формы кремнезема, в виде рассеянных по основной массе глобул, а также новообразованные карбонаты.

Учитывая имеющиеся данные по важнейшим типоморфным признакам кварца различного генезиса и результаты проведенных исследований, можно прогнозировать понижение энергоемкости производства силикатных автоклавных материалов в ряду: кварц пегматитов - жильный - молодых гранитоидов - древних гранитоидов - метаморфических пород - кислых эффузивов.

Рис. 2. Новообразования, синтезированные на основе песка при 8-час изотермической выдержке (РЭМ, х 15000)

В этом ряду наблюдается понижение частоты встречаемости включений минералообразующей среды (ВМС) и повышение оптически определимых структурных дефектов. Исключение составляет кварц кислых эффузивов, для которого характерна бездефектность и присутствие затвердевших ВМС, представленных стеклом. Но характерной особенностью этого генетического типа кварца является то, что он имеет субмикрокристаллическое строение; а эффузивные породы кислого состава, наряду с ним, содержат большое количество аморфного кремнезема, растворимость которого в 16 раз выше. В связи с этим они являются эффективным сырьем для производства строительных материалов автоклавного синтеза.

Исходя из известных типоморфных признаков кварца различной стадии метаморфизма можно сделать вывод о том, что энергозатраты на дезинтеграцию эпигенетически измененных кварцитопесчаников будут значительно ниже, чем кварцитов эпидот-амфиболитовой фации. Это связано с тем, что при повышении степени метаморфизма происходит перекристаллизация кварца, он становится чище, освобождаясь от микровключений и, следовательно, прочностные свойства пород в этом ряду возрастают, а реакционная способность падает.

Четвертая глава посвящена анализу структурно-текстурных характеристик силикатных автоклавных материалов и наиболее близких к ним природных агрегатов. С учетом того, что применение сырья различных генетических типов обуславливает не только изменение химизма процессов гидратации, но и изменение строения искусственных конгломератов, предложены пути оптимизации структуры строительных материалов гидратационного твердения.

Материал, синтезированный в автоклавных условиях, есть сложная неоднородная система, методика описания которой как на макро-, так и на микроуровне в строительном материаловедении недостаточно разработана. Наряду с вещественным составом, одна из важнейших характеристик искусственного конгломерата - строение, предопределяющее его свойства и области применения, и описываемое при помощи структуры и текстуры.

Терминология описания структурно-текстурных характеристик наиболее полно разработана и применяется в литологии и петрологии. Но основанием деления являются не только морфологические, но и генетические признаки.

Проведя параллель между природными и техногенными процессами и проанализировав литературу по строению горных пород и строительных материалов гидратационного твердения, с учетом параметров определяющих технологические показатели, при описании строительных материалов рекомендуется использовать структурно-текстурные характеристики природных агрегатов. Структуры и текстуры, характерные для автоклавных силикатных материалов, детально описаны и проиллюстрированы.

На основании вышеизложенного предложена схема описания материалов гидратационного твердения (табл. 2).

Такое описание дает наиболее полную картину, позволяющую восстановить схему процессов, протекающих в системе, понять причину различий физико-механических свойств изучаемых объектов, прогнозировать долговечность изделий, расширять сырьевую базу, наметить пути совершенствования строительных материалов. Адаптированная схема описания строительных материалов также может быть использована в учебных целях, в криминалистике.

Анализ структурно-текстурных характеристик, наиболее близких к силикатным материалам природных агрегатов позволяет сделать вывод о гораздо большем разнообразии структурно-текстурных возможностей природных конгломератов по сравнению с искусственными. Изучение этих параметров и методики описания природных объектов, которые используются в литологии и петрографии, сравнительный анализ с тем, что имеется в строительном материаловедении, и изучение микроскопического строения реальных производственных изделий позволили наметить некоторые пути совершенствования строения материалов автоклавного твердения.

Предлагается синтезировать строительные материалы с базальным типом цементирующего вещества, сфероагрегатнокластической или кластической структурой заполнителя и наполнителя, гранонематолепи-дозернистой структурой новообразований, коррозионно-крустификационной структурой контактной зоны, массивной текстурой.

Для этого необходимо ориентироваться на многокомпонентные смеси. Так для получения базальной структуры вяжущего необходимо синтезировать в составе матрицы гидросиликатов кальция гидрогранаты, выступающие как микронаполнитель, формируя, тем самым гетеро-гранонематолепидозернистую структуру. При получении силикатных материалов плотной структуры в качестве наполнителя следует исполь-

Таблица 2

План описания строительных материалов гидротермального твердения

1. Форма и размер изделия Эти параметры должны соответствовать установленным нормативным документам.

2. Цвет Окраска материала тесно связана с составом. Генезис окраски искусственных конгломератов чаще всего сложный: она может быть унаследованной, когда агрегат наследует цвет сырьевых материалов; сингенетической, когда цвет связан с новообразованиями; постгенетической - приобретаемой при воздействии окружающей среды в эксплуатационный период.

3. Текстура Описывает характер расположения составных частей материала (зерен, пор) в пространстве. При одном и том же составе, но разных типах текстур качественные показатели строительного материала будут резко отличаться. По нарушению текстуры можно судить о технологическом браке.

4. Структура На макроуровне различают два типа структур: по типу распределения цементирующего вещества и по типу заполнителя. На микроуровне структура описывает морфологию новообразований и характер их взаимодействия с заполнителем. При описании микроструктуры поризо-ванных образцов предлагается выделять четыре комплекса объектов: 1) матрица, 2) поры и их обрамление, 3) межпористые перегородки, 4) контактная зона заполнителя и новообразований.

5. Состав Определяется составом заполнителя (наполнителя) и цементирующего вещества. В процессе эксплуатации состав цементирующего вещества может меняться. В связи с этим, в зависимости от процессов происходящих на микроуровне, происходит изменение технологических показателей. Проследив эволюцию изменения состава строительного материала можно прогнозировать эксплуатационные показатели.

6. Визуально определимые дефекты Это трещины, нарушения текстуры, участки типа друз и секреций, инородные включения и др.

1.Физические свойства Определяются в соответствии с действующими ГОСТами.

8. Вторичные изменения Это образование налетов, деструкция, разрушение поверхностного слоя, коррозия под воздействием окружающей среды и т.д. Вторичные изменения описываются при изучении материала, прошедшего эксплуатационный период.

овать добавку метаморфогенного или эффузивного тонкодисперсного :варца.

Для получения коррозионных структур, которые образуются при жтивном взаимодействии вяжущего и заполнителя (наполнителя), федпочтительно использовать кварцевые породы низкой степени метаморфизма и кислые эффузивы.

В пятой главе приведены результаты исследований по получению ;иликатных автоклавных материалов на основе кварцевого сырья раз-7ичных генетических типов.

Для улучшения эксплуатационных характеристик материалов путем оптимизации строения, с учетом теоретических данных были синтезированы образцы силикатного кирпича сфероагрегатной-кластической и пластической (по форме частиц кварцевого компонента) структур. Для этих целей использовался отсев дробления на щебень фракции 0-2 мм из попутно добываемых кварцигопесчаников Лебединского месторождения КМА, выветрелые кварцитопесчаники и аллювиальные пески Тюменской области.

Приведенные данные (рис. 3) подтверждают теоретические выводы о предпочтительности использования метаморфогенного кварца как энергосберегающего сырья.

а)

б)

Предел прочности при сжатии, МПа

Предел прочности при сжатии» МПа

Рис. 3. Диаграммы распределения величин предела прочности при сжатии силикатного кирпича в зависимости от давления и времени гидротермальной обработки

а- на основе песка, б -на основе кварцитопесчаника

Образцы на основе пород зеленосланцевой фации метаморфизма завершили набор прочности в течении 6 часов изотермической выдержки. Материал же на заполнителе из кварцевого песка не достиг максимума прочности и после 8 часов изотермической обработки. Это объясняется повышенной реакционной способностью более дефектного метаморфогенного кварца.

Эти же выводы подтверждены в заводских условиях. Замена кварцевого песка на отсев дробления фракции 0-2 мм позволила повысить марку силикатного кирпича до "200" при 6 ч изотермической выдержки. Прирост прибыли на единицу продукции при этом составит 39,96 тыс.руб./1 тыс.шт.усл.кирп.

Установлена возможность использования затронутых процессами выветривания кварцитопесчаников в качестве компонента известково-кремнеземистого вяжущего. В лабораторных условиях получен силикатный кирпич марки "150". Разработанные рекомендации, по использованию коры выветривания кварцитопесчаников, переданы для внедрения Белгородскому территориальному управлению геологии и использования недр.

Рис.4. Предел прочности при сжатии образцов плотной структуры в зависимости от времени изотермической обработки. I - образец на основе песка Нижне-Ольшанского месторождения; 2 - на основе отсева дробления кварцитопесчаника фракции 0-2 мм; 3 - на основе отсева дробления кварцитопесчаника фракции 0-2 мм с домолом 10 % вяжущего до $уД=750 м^/кг

Для проверки возможности оптимизации структурно-текстурных арактеристик матрицы, были синтезированы образцы силикатного кир-(ича с использованием добавки кварца, молотого до 8Уд=750 м2/кг. 'езультаты испытаний образцов свидетельствуют об увеличении проч-юсти образцов (рис. 4).

В условиях разрабатываемых нефте-газоносных месторождений Се-1ера РФ, где себестоимость строительных материалов во многом опреде-[яется транспортными расходами, а энергия относительно дешевая, тредставляется необходимым более полное использование потенциала 1риродного песка как местного сырья. В связи с этим был исследован юпрос оптимизации строения ячеистого бетона за счет дополнительной дезинтеграции кварцевого песка. Для строящегося в г.Сургуте Тюменской области завода стеновых строительных материалов разработан технологический регламент для производства мелких стеновых блоков из газосиликата.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлен характер влияния кремнеземистого компонента, в зависимости от его генетических особенностей, на интенсивность процессов структурообразования, фазовый и морфологический состав синтезируемых в процессе автоклавной обработки новообразований, на структуру силикатных материалов и энергетические затраты на производство строительных изделий. Это позволит производить целенаправленный выбор энергосберегающего сырья на основе его генезиса.

2. Показано, что генетические типы кварца, для которых характерно пониженное содержание включений минералообразующей среды (ВМС) и повышенная частота встречаемости оптически определимых структурных дефектов, обладают повышенной реакционной способностью в гидротермальных условиях. Исключение составляет кварц кислых эффузивов, для которого характерна бездефектность и присутствие затвердевших ВМС, представленных стеклом. Но характерной особенностью этого генетического типа кварца является то, что он имеет субмикрокристаллическое строение; а эффузивные породы кислого состава, наряду с ним, содержат большое количество аморфного кремнезема. В связи с этим они являются эффективным сырьем для производства строительных материалов автоклавного синтеза.

3. Учитывая имеющиеся данные по важнейшим типоморфным признакам кварца различного генезиса и результаты проведенных исследований, можно прогнозировать понижение энергоемкости производства силикатных автоклавных материалов в ряду: кварц пегматитов-жильный - молодых гранитоидов - древних гранитоидов - метаморфических пород - кислых эффузивов.

4. Использование данных по генетическим особенностям сырья позволяет совершенствовать технологические показатели, модернизировать процесс синтеза, уменьшать энергоемкость производства, регулировать свойства на стадии подбора сырьевых компонентов и разработки состава смеси. Геологические процессы не только дезинтегрируют горную породу, но и аморфизуют ее частицы, создают структурные дефекты, образуют минеральные включения и включения минералообразующей среды, что играет существенную роль при синтезе автоклавных материалов на их основе. С учетом вышеуказанного разработаны дополнения к ОСТ 211-80 "Песок для производства силикатных изделий автоклавного твердения".

5. Обобщены данные по изучению строения природных и искусственных конгломератов и выявлены пути оптимизации структурно-текстурных характеристик последних. Полученные результаты дают возможность утверждать, что при проектировании необходимо ориентироваться на получение строительных материалов с базальным типом цементирующего вещества, сфероагрегатнокластической или кластической структурой заполнителя и наполнителя, гранонематолепидозернистой структурой новообразований, коррозионно-крустификационной структурой контактной зоны, массивной текстурой.

6. Разработана методика описания строительных материалов гидротермального синтеза. Она дает наиболее полную картину, позволяющую восстановить схему процессов, протекающих в системе, понять причину различий физико-механических свойств изучаемых объектов, прогнозировать долговечность изделий, расширять сырьевую базу, наметить пути совершенствования строительных материалов.

7. Экспериментально доказана эффективность синтеза сферо-агрегатно-кластической и кластической структур силикатных материалов гидротермального твердения, путем частичной или полной замены природного песка на дезинтегрированные кварцсодержащие породы - отходы промышленности. Использование отсева дробления фракции 0-2 мм пород зеленосланцевой фации метаморфизма дает

ювышение прочности сырца в 3-4 раза, что позволит формовать высо-:опустотные изделия и сократить время изотермической выдержки до 6 I. По результатам проведенных исследований разработан состав сырье-юй смеси на основе вышеуказанного сырья для получения силикатного сирпича, апробованный в заводских условиях. Экономический эффект от шедрения составит 3861 млн.руб.

8. Предложена классификация сырья для производства строитель-1ых материалов автоклавного твердения КМА. Теоретически обоснова-т и экспериментально подтверждена возможность использования !атронутых процессами выветривания попутно добываемых кварцсо-}ержащих пород КМА для производства силикатных автоклавных материалов как компонента вяжущего. Разработан состав сырьевой ;меси на основе выветрелых кварцитопесчаников для получения си-гшкатного кирпича и рекомендации по использованию этих пород в лройиндустрии.

9. Установлена эффективность использования добавки тонко-цисперсного кварца для получения силикатных автоклавных материалов поризованной структуры в условиях разрабатываемых нефтегазоносных месторождений Севера РФ. Для исключения "старения" кремнезема предусматривается дезинтеграция непосредственно перед получением сырьевой смеси. Введение тонкодисперсной добавки позволяет улучшить процесс поризации, сместить во времени процесс синтеза низкоосновных гидросиликатов кальция. На основании полученных данных разработан технологический регламент для производства мелких стеновых блоков из газосиликата на основе местного сырья Тюменской области. Составлен протокол намерения о том, что в рамках строящегося в г. Сургуте завода силикатных стеновых материалов планируется создание цеха по выпуску мелких стеновых блоков, согласно предложенному регламенту.

СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ульянов A.A., Воронцов В.М., Лесовик В.В. К влиянию состава и морфологии новообразований в системе СаО-БЮг-ШО на свойства газосиликата//Ресурсосберегающие технологии строительных материа-

лов, изделий и конструкций. Тез. докл. Межд. науч.-тех. конф. - Белгород, 1993. -Ч. 2.-С.52.

2. Воронцов В.М., Лесовик В В. Проблема влияния генезиса кварца на свойства строительных материалов // Новые технологические решения в производстве бетонов и строительных материалов. (Сб. тр. /БТИСМ)

- Белгород, 1994. - С. 46-48.

3. Лесовик В.В. К проблеме оценки свойств кварца как сырья для производства строительных материалов // Вопросы планирования и застройки городов. Тез. докл. II Межд. науч.-практ. конф. - Пенза, 1995.

- С. 75-76.

4. Лесовик B.C., Володченко А.Н., Строкова В.В. Генетические аспекты формирования структуры строительных материалов автоклавного твердения II Современные проблемы строительного материаловедения. Тез. докл. Вторых академических чтений РААСН. - Казань, 1996. - Ч. 1.

- С. 23-25.

5. Воронцов В.М., Строкова В.В. Метаморфогенные породы - энергосберегающее сырье стройиндустрии//Сб. статей. -Белгород, 1997. -С. 21-25.

6. Строкова В.В. Влияние генезиса кварца на энергоемкость производства строительных материалов гидратационного твердения // Тез. докл. 29-й науч.-техн. конф. -Пенза, 1997. - С. 120.

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

8. Строкова В.В. Критерии оценки энергетики кварцевого сырья // Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений. Сб. докл. Межд. конф. - Белгород, 1997. (в печати).