авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

Шлакощелочные вяжущие и бетоны с силикатными и алюмосиликатными минеральными добавками

-- [ Страница 1 ] --

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

РАХИМОВА НАИЛЯ РАВИЛЕВНА

ШЛАКОЩЕЛОЧНЫЕ ВЯЖУЩИЕ И БЕТОНЫ

С СИЛИКАТНЫМИ И АЛЮМОСИЛИКАТНЫМИ

МИНЕРАЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ

05.23.05 – Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Казань - 2010

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет».

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Гаркави Михаил Саулович

доктор технических наук, профессор,

член-корреспондент РААСН,

Иващенко Юрий Григорьевич

доктор технических наук, профессор,

академик РААСН,

Магдеев Усман Хасанович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Ижевский государственный

технический университет», г.Ижевск

Защита состоится «24» июня 2010 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.077.01 при Казанском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 420043, г.Казань, ул.Зеленая, 1, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «____» ______________ 2010 года

Ученый секретарь

диссертационного совета,

д.т.н., профессор Л.А.Абдрахманова

Актуальность работы.

Бетон остается и в XXI веке основным конструкционным материалом, объемы производства которого в мире составляют более 3-х млрд. кубометров в год. Основные объемы бетона производятся на основе портландцемента, мировое производство которого составляет более 1,5 млрд.т, а по прогнозным оценкам специалистов среднегодовой рост потребления цемента в мире с 2008 по 2012 год составит 5-6%. В Российской Федерации проектом долгосрочной стратегии развития производства строительных материалов и конструкций на период до 2020 г. предполагается к 2020 году увеличить производство портландцемента с 51 до 194 млн.т.

Вместе с тем, производство портландцемента связано с высоким потреблением природных минеральных сырьевых и энергетических ресурсов и сопровождается высокими объемами выбросов в окружающую среду, только диоксида углерода мировая цементная промышленность выбрасывает в окружающую среду более 7% от общего объема его выбросов всеми отраслями.

Принятие мировым сообществом концепции «устойчивого развития», ориентированной на ресурсо-, энергосбережение и повышение экологической безопасности земной цивилизации, привело к пересмотру дальнейшей стратегии развития энерго-и материалоемких отраслей промышленности, в том числе и производства цемента. Долгое время не вызывала сомнений целесообразность растущего производства клинкерного цемента. Однако, в последние десятилетия, огромные выбросы СО2, высокая материало- и энергоемкость конечного продукта, вызвали необходимость поиска путей снижения объемов применения клинкера при производстве цементов, один из которых – увеличение производства композиционных портландцементов с минеральными добавками, другой – разработка и внедрение мало- и бесклинкерных альтернативных видов вяжущих. Отдельную группу среди последних составляют «геоцементы», получаемые щелочной активацией тонкодисперсных алюмосиликатов природного и техногенного происхождения и образующие каменные материалы, состоящие из низкоосновных гидросиликатов кальция, кремниевой кислоты, щелочных и щелочно-щелочноземельных гидроалюмосиликатов, гидроалюминатов, гидроферритов. Геосинтез позволяет преобразовывать более широкий, по сравнению с сырьем для портландцементов, круг минеральных веществ природного и техногенного происхождения в строительные материалы с высокими строительно-техническими и эксплуатационными свойствами, большим потенциалом применения в различных областях – обычные, высокопрочные и специальные растворы и бетоны, гибкую керамику, материалы высокой огне- и кислотостойкости, иммобилизации радиоактивных отходов и т.д. Над изучением композиционных материалов на геополимерных связках, интенсивно работают в последнее время научные школы России, Украины, Чехии, Франции, Германии, Польши, Ирана, Австралии и других стран. Значительный вклад в исследования состава, структуры и свойств сырьевых ресурсов и разработку на их основе геополимерных строительных материалов внесли: Боженов П.И., Будников П.П., Волженский А.В., Гаркави М.С., Горлов Ю.П., Горшков В.С., Глуховский В.Д., Дворкин Л.И., Завадский В.Ф., Иващенко Ю.Г., Калашников В.И., Комохов П.Г., Кривенко П.В., Мчедлов-Петросян О.П., Рахимбаев М.М., Рунова Р.Ф., Ушеров-Маршак А.В., Цыремпилов А.Д., Brandstetr J, Davidovits J, Malolepshi J., Komplienovic M., Palomo A., Sato K., Shi S., Skwara F., Wang S.D. и др.

На настоящее время из геополимерных материалов наиболее исследоваными по свойствам, составам, структуре и получившими применение являются шлакощелочные вяжущие (ШЩВ) и строительные композиты на их основе. Высокая эффективность и конкурентоспособность бесклинкерных шлакощелочных вяжущих на основе доменных гранулированных шлаков показана работами многих научных школ, проводимыми уже более 60 лет. Были созданы основы получения ШЩВ, растворов и бетонов на их основе: разработаны составы широкой номенклатуры вяжущих и строительных композитов на их основе; утверждены нормативные документы, регламентирующие их составы, свойства, технологию производства и применение; был налажен выпуск изделий и конструкций из ШЩБ в объемах, исчисляемых миллионами куб.м. на многих заводах стройиндустрии бывшего СССР и т.д. С началом перестройки экономических отношений в стране в связи с имевшим место спадом объемов строительства и снижением потребностей в вяжущих эти производства перестали действовать. В определенной мере это было связано и с дефицитом щелочных затворителей. Резко снизились и объемы исследований и разработок ШЩВ и бетонов на их основе.

Учитывая современные требования обеспечения «устойчивого развития» и перспективность использования альтернативных высоко ресурсо- и энергозатратным портландцементу и композитам на его основе ШЩВ и материалов на их основе как одного из направлений комплексного решения проблем ресурсо- и энергосбережения и экологии, дальнейшее развитие их исследований, разработок и производства в современной России, весьма актуально. К этому склоняют и современные тенденции наращивания исследований и разработок геополимерных вяжущих, в том числе ШЩВ и строительных материалов на их основе, в других странах, и убедительные результаты исследований возможностей решения в стране проблемы дефицита щелочных затворителей.

Современные мировые тенденции развития исследований, разработок вяжущих и материалов на их основе направлены на производство и применение преимущественно композиционных их разновидностей с наполнителями из местного природного и техногенного минерального сырья. Известные разработки ШЩВ с большой группой минеральных добавок разного состава показали более широкие возможности по сравнению с клинкерными цементами управления составом, структурой и свойствами искусственных каменных строительных композитов на основе ШЩВ введением в минеральную матрицу из ШЩВ минеральных наполнителей и модификаторов.

В связи с этим является актуальным дальнейшее развитие теоретических и экспериментальных основ разработок и производства композиционных ШЩВ и строительных композитов на их основе с минеральными добавками с целью повышения объемов утилизации промышленных отходов, рационального использования местного природного минерального сырья и снижения шлаковой составляющей. Последнее необходимо в связи с постоянным ростом цен на доменный шлак, который в других технически развитых странах стал дефицитным, а также для уменьшения зависимости качества ШЩВ от стабильности состава шлаков.

Вместе с тем, недостаточно исследованы общие и частные закономерности влияния вещественного и гранулометрического состава, дисперсности и поверхностного потенциала отдельных видов шлаков, минеральных добавок и щелочных затворителей на структурообразование и свойства теста и камня ШЩВ. Комплексно не изучено влияние этих показателей добавок молотого кварцевого песка, отходов формовочных смесей, золы-унос, микрокремнезема, строительных отходов – молотого боя керамического кирпича и цементного бетона.

Ранее установлена эффективность введения в ШЩВ цеолитовых минералов, но не исследовано влияние на структурообразование и свойства ШЩВ добавок распространенных цеолитсодержащих карбонатно-кремнистых пород (ЦСП), промышленно-ресурсный потенциал которых только в Поволжье определен более чем в 4,4 млрд.т. Наиболее высокими показателями физико-технических свойств отличаются ШЩВ с относительно дорогим жидким стеклом на основе силикат-глыбы. Установлено, что жидкое стекло может быть получено низкотемпературной обработкой ЦСП в растворах щелочей при атмосферном давлении, однако исследования влияния такого жидкого стекла и отхода его производства на структурообразование и свойства ШЩВ и композитов на их основе не проводились.

Научные и технологические основы управления структурообразованием и свойствами искусственных строительных материалов с наполнителями на основе клинкерного цемента, извести, гипсовых и органических вяжущих хорошо изучены, в частности, исследованы вопросы влияния удельной поверхности и гранулометрического состава, поверхностной активности, химико-минералогического состава клинкера и добавок на свойства вяжущих; определены эффективные способы совмещения компонентов; установлены диапазоны «эффективного» и «возможного» клинкерозамещения; области применения смешанных вяжущих; изучено влияние добавок на свойства вяжущих, свойства материалов на их основе в зависимости от вида и состава добавок, продолжительности и условий твердения, стабильность новообразований и долговечность портландцементного камня; известны положительные и отрицательные стороны использования различных добавок. Композиционные шлакощелочные вяжущие (КШЩВ) с минеральными добавками в таком плане изучены недостаточно. В связи с этим автором работы сформулированы следующие ее цель и задачи.

Цель работы – разработка теоретических и экспериментальных основ получения и управления структурой и свойствами композиционных шлакощелочных вяжущих с минеральными силикатными и алюмосиликатными добавками, растворов и бетонов на их основе.

Задачи исследований.

1. Анализ состояния разработок, производства и применения КШЩВ, растворов и бетонов на их основе.

2. Системный анализ и развитие научных представлений о наполненных искусственных строительных композиционных материалах (ИСКМ) как объектах управления.

3. Проведение комплекса исследований композиционных шлакощелочных вяжущих систем с минеральными добавками кремнеземистого и алюмосиликатного состава с позиций рассмотрения их как ИСКМ и учета характерных для шлакощелочных вяжущих и дисперсных добавок свойство- и структуро- определяющих факторов, включающего: определение оптимальных уровней дисперсности, концентраций, условий совместимости компонентов вяжущего с использованием в качестве исходных материалов доменных шлаков, минеральных веществ природного и техногенного происхождения и щелочных компонентов различного состава и реакционной способности, в том числе ранее не применявшихся для получения композиционных шлакощелочных вяжущих; изучение и описание процессов формирования состава, структуры и свойств камня многокомпонентного вяжущего от параметров отдельных составляющих, элементов структуры и композиционной системы в целом; разработка рациональных составов композиционных шлакощелочных вяжущих и исследование свойств растворов и бетонов на их основе.

4. Исследование свойств теста, камня, растворов и бетонов на основе бездобавочного шлакощелочного вяжущего в зависимости от состава шлака и щелочного компонента, удельной поверхности шлаков в пределах от 300 до 900 м2/кг во взаимосвязи с гранулометрическим составом; изучение влияния размера частиц шлака, распределения зерен по размерам на характер и интенсивность процессов формирования свойств минеральной матрицы из ШЩВ на основе шлаков и щелочных компонентов различного химического состава.

5. Исследование свойств теста, камня, растворов и бетонов на основе композиционных шлакощелочных вяжущих с кремнеземистыми добавками (кварцевый песок, отработанная формовочная смесь), алюмосиликатными добавками (зола, бой керамического кирпича, цеолитсодержащие добавки) в зависимости от состава дисперсионной среды – вида шлака и щелочного компонента, состава, содержания дисперсной фазы, условий и продолжительности твердения.

6. Исследование эффективности использования в качестве затворителя шлакощелочных вяжущих, растворов и бетонов водного раствора жидкого стекла, полученного из карбонатно-кремнистой цеолитсодержащей породы.

7. Изучение влияния силикатных и алюмосиликатных добавок на состав новообразований и структуру камня шлакощелочного и композиционного шлакощелочного вяжущего.

8. Разработка рациональных составов КШЩВ и исследование свойств шлакощелочных растворов и бетонов на основе КШЩВ.

9. Разработка технических условий на производство КШЩВ, проведение промышленной апробации шлакощелочных бетонов (ШЩБ) и определение их экономической эффективности.

Научная новизна.

1. Выполнен системный анализ наполненных ИСКМ как объектов управления и развиты научные представления о: системе факторов, определяющих структуру и свойства, классификации наполнителей, топологических моделях структуры, технологии совмещения компонентов и оценке эффективности наполнителей ИСКМ.

2. Разработаны теоретические и экспериментальные основы получения и управления структурой и свойствами композиционных шлакощелочных вяжущих с кремнеземистыми (содержание кристаллической фазы 0 и 95-100%) и алюмосиликатными (содержание SiO2 + Al2O3 = 60-90%, соотношение SiO2 : Al2O3 = (3,5-12,6):1, степень аморфизации 17-65%) минеральными добавками природного и техногенного происхождения, растворов и бетонов на их основе, базирующиеся на учете факторов, определяющих их структуру и свойства, топологическом моделировании структуры, технологии совмещения компонентов, оценке эффективности минеральных добавок и выявленных закономерностях и установленных зависимостях.

3. Установлены закономерности и зависимости свойств теста, свойств и состава камня композиционного шлакощелочного вяжущего от состава и дисперсности матрицы – шлакощелочного вяжущего, химического, минерального и фазового состава, дисперсности силикатных и алюмосиликатных минеральных добавок, способа совмещения шлака и добавок, условий и продолжительности твердения, определена значимость каждого из этих факторов в формировании свойств камня композиционных шлакощелочных вяжущих по группам физически и химически активных минеральных добавок.

4. Выявлены особенности структурных типов композиционных систем, образующихся при щелочной активации двухкомпонентных композиционных вяжущих систем, включающих в качестве основного доменный гранулированный шлак со степенью разупорядоченности структуры 95-97% и дополнительного компонента кремнеземистые и алюмосиликатные минеральные добавки со степенью разупорядоченности структуры 0-100%.

5. На основе результатов исследований взаимосвязи скорости реализации гидратационного потенциала с размером зерна шлакового стекла определены оптимальные и пороговые параметры дисперсности – удельная поверхность, размеры частиц, количественное содержание и соотношение фракций шлака, при которых составы имеют свойства рядовых, высокопрочных, нормально-, быстро- и особобыстротвердеющих шлакощелочных вяжущих. Установлена возможность получения композиционных вяжущих оптимального гранулометрического состава без повышения энергозатрат на измельчение путем совместного помола или введения в шлак с минимально возможной удельной поверхностью 300 м2/кг минеральных добавок с большей, чем у шлака дисперсностью (в 1,6-2,6 раза). Полидисперсный состав композиционного шлакощелочного вяжущего имеет меньшую межзерновую пустотность, обеспечивает сохранение запаса гидратационной активности шлака, а в случае алюмосиликатных добавок повышает их реакционную способность при твердении.

6. Установлена эффективность наполнения и модифицирования шлакощелочных вяжущих добавками силикатного и алюмосиликатного состава, заключающаяся в возможности замены шлака в составе композиционного вяжущего до 80%, повышения эксплуатационных характеристик, обеспечении более глубокого взаимодействия шлака и щелочного компонента, снижения основности и повышения стабильности новообразований, совершенствования структуры камня композиционного вяжущего.

7. Выявлены зависимости изменения состава продуктов твердения и структуры камня композиционного шлакощелочного вяжущего в зависимос-

ти от химико-минералогического состава добавок. Впервые установлена взаимосвязь степени деструкции шлака, связанности щелочных оксидов в составе труднорастворимых продуктов твердения, ранней и долговременной прочности, степени закристаллизованности дисперсионной среды камня КШЩВ, связующей способности новообразований, растворимости продуктов твердения со степенью аморфизации кремнеземистых и алюмосиликатных добавок. На основе анализа результатов исследований поэлементного состава камня вяжущего с применением сканирующей электронной микроскопии выявлено повышенное содержание кремнезема в новообразованиях продуктов гидратации композиционных ШЩВ с добавками молотых отработанной формовочной смеси и золы в граничном слое на поверхности их частиц, а с добавкой микрокремнезема – по объему.

8. Установлены зависимости кубиковой и призменной прочности, модуля упругости, средней плотности, водопоглощения, водонепроницаемости и морозостойкости бетонов на основе КШЩВ с кремнеземистыми и алюмосиликатными добавками в зависимости от видов шлака, добавок, заполнителей и затворителей.

Практическая значимость.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.