Композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического кирпича, растворы и бетоны на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат технических наук Соколов, Андрей Александрович

• Соколов, Андрей Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соколов, Андрей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК ПО ПОЛУЧЕНИЮ, ПРИМЕНЕНИЮ И ИССЛЕДОВАНИЮ СВОЙСТВ ШЛАКОЩЕЛОЧНЫХ ВЯЖУЩИХ И БЕТОНОВ НА ИХ ОСНОВЕ

1.1. Шлакощелочные вяжущие и бетоны, составы, свойства, применение

1.2. Роль удельной поверхности и гранулометрического состава минеральных вяжущих веществ в формировании их свойств

1.2.1. Влияние удельной поверхности и гранулометрического состава шлака на свойства 1ШЦВ

1.2.1.1. Влияние удельной поверхности шлаков на свойства ШЩВ в зависимости от модуля основности шлака и вида щелочного компонента

1.2.1.2. Влияние гранулометрического состава шлаков на свойства ШЩВ

1.3. Шлакощелочные вяжущие с минеральными добавками природного и техногенного происхождения

1.4. Шлакощелочные вяжущие с добавками природных и дегидратированных глин

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического кирпича, растворы и бетоны на их основе»

В последнее десятилетие мировое сообщество пересмотрело стратегию дальнейшего развития земной цивилизации, выдвинув взамен доминировавшего направления безграничного "научно-технического прогресса" стратегию "устойчивого развития", основные критерии которой -ограничение потребления природных ресурсов, энергосбережение, защита окружающей среды [1]. Эти же критерии являются базовыми и в стратегии развития строительного комплекса [2, 3]. В "Стратегии развития строительного комплекса Российской Федерации на период до 2010 г."[4] ставятся задачи рационального использования мировых природных ресурсов и вовлечения в производство техногенных отходов различных отраслей промышленности, замещения на 20 - 30 % природного сырья производственными и бытовыми отходами в производстве строительных материалов. Вопросы эффективности и экологические аспекты использования отходов промышленности в производстве строительных материалов нашли широкое отражение в исследованиях большинства НИИ и вузов строительного профиля [5-8 и др.]. Вместе с тем состояние использования отходов промышленности в производстве строительных материалов нельзя назвать удовлетворительным. Наиболее крупные по объемам в отвалах, занимающих десятки тысяч гектаров земли, скопились шлаки металлургической промышленности и золошлаки ТЭС. Только в отвалах металлургических комбинатов Урала и Сибири скопилось более 450 млн.т доменных шлаков. Ежегодный выход каждого их них составляет более 30 млн. т. И, если в других технически развитых странах объемы утилизации ежегодных отходов промышленности достигают 80-90 %, то в нашей стране этот показатель не превышает 10 - 15 %. Металлургические шлаки используют в качестве заполнителей для бетонов, материалов для отсыпки дорог, в производстве шлакопортландцемента. Металлургические, в частности, доменные шлаки представляют ценность как сырьевой компонент в производстве минеральных вяжущих веществ - шлакопортландцемента, известково-шлаковых, гипсоизвестковошлаковых, сульфатношлаковых, шлакощелочных. Производство шлакопортландцемента, в котором доменный шлак используется в значительных объемах, в нашей стране в последние годы существенно снизилось по объемам в связи с возросшей потребностью в бездобавочных цементах. Производство портландцемента представляет собой весьма энергоемкий процесс, сопровождающийся высокими объемами выбросов углекислого газа в атмосферу. С ростом цен на энергоресурсы систематически растут цены на портландцемент и его разновидности.

В этих условиях актуальным становится развитие производства наиболее эффективных по технико-экономическим показателям и наименьшим объемам вредных выбросов в окружающую среду шлакощелочных (ШЩВ) и бетонов (ШЩБ) на их основе. Эта эффективность была доказана отечественными исследованиями в период 60-х - 80-х годов прошлого столетия школой Глуховского В.Д., НИИЖБ и другими. Была показана возможность производства ШЩВ как рядовых, так и специальных -высокопрочных, быстро- и особобыстротвердеющих, жаростойких, радиационностойких и других. Были разработаны нормативные документы на требования к сырью, свойства и технологию производства и применение ШЩВ и ШЩБ на их основе. Осваивалось производство ШЩВ и ШЩБ в Украине, Перми, Липецке, Туле, Омске. Была показана эффективность применения шлакощелочных бетонов для производства изделий и конструкций для гражданского и промышленного строительства.

К середине 80-х годов по ряду причин - отсутствие дефицита цемента, отдельные неудачи в применении, дефицит щелочного затворителя, повышенное высолообразование и др. - производство ШЩБ снизилось, а затем практически прекратилось. Снизились и объемы исследований по разработке ШЩВ и ШЩБ.

Повышенные требования по ресурсо-, энергосбережению, защите окружающей среды в строительной отрасли, в том числе в производстве вяжущих веществ и бетонов приводят к необходимости наращивания исследований по разработке ИЛЦВ и ШЩБ и развития их производства. В последнее десятилетие получили развитие разработки композиционных вяжущих веществ, в том числе с использованием в качестве щелочных компонентов отходов различных отраслей промышленности. На базе достижений отечественной науки в этой области это направление получило развитие в других странах. В частности, Брандштетр И. [186] отмечает, что еще в 90-х годах прошлого столетия в Европе объем производства шлаковых, зольных, пуццолановых и специальных цементов достиг уровня объема производства бездобавочного портландцемента. Он же, формулируя в статье некоторые перспективы неорганических композиционных материалов XXI века, отмечает, что среди прочих ожидается значительный прогресс в использовании шлакощелочных бетонов.

Очевидно, что дальнейшее развитие науки и практики ШЩВ также будет идти в направлении разработок композиционных шлакощелочных вяжущих (КШЩВ). Тем более, что известными исследованиями показано, что в ШЩВ до 50 % шлака может быть заменено материалами природного и техногенного происхождения. Производство таких вяжущих особенно актуально для регионов, не имеющих собственного производства портландцемента, к которым относятся республики Татарстан, Чувашия, Удмуртия и некоторые другие области Российской Федерации. Одной из разновидностей многотоннажного отхода являются строительные отходы, в частности бой керамического кирпича, образующийся на кирпичных заводах и при сносе ветхих зданий.

В настоящей работе на основе анализа известных особенностей структурообразования и твердения шлакощелочных вяжущих с минеральными добавками в качестве рабочей гипотезы выдвинуто предположение о возможности получения композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича с повышенными физико-механическими свойствами.

Цель работы: Разработка составов композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича, растворов и бетонов на их основе и исследование их свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- установление зависимости свойств шлакощелочных вяжущих от удельной поверхности и гранулометрического состава шлаков Челябинского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов;

- исследование влияния добавок молотого боя керамического кирпича на свойства композиционного ШЩВ, свойства и структуру шлакощелочного камня, раствора и бетона на его основе;

- определение оптимального содержания добавок кирпичного боя и способа совмещения компонентов в составе композиционного шлакощелочного вяжущего;

- разработка рациональных составов бездобавочных и с добавками молотого боя керамического кирпича шлакощелочных вяжущих и бетонов на их основе;

- разработка проекта технических условий на композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического кирпича.

Научная новизна работы:

1. На основе выявленных закономерностей и установленных зависимостей свойств вяжущих, растворов и бетонов от вида и удельной поверхности молотых гранулированных доменных шлаков Челябинского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов, вида затворителей и содержания молотого боя керамического кирпича разработаны нормально-, быстро- и особобыстротвердеющие композиционные шлакощелочные вяжущие марок до 1200 и бетоны на их основе классов по прочности до В80, по морозостойкости до

F800 и по водонепроницаемости до W25.

2. Установлены закономерности и зависимости изменения нормальной густоты и сроков схватывания шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича, а также средней плотности, водопоглощения, прочности и кинетики твердения камня, растворов, водопроницаемость и морозостойкость бетонов на их основе от тонкости помола вяжущего, вида шлака и щелочного затворителя.

3. Показано, что введение добавок молотого боя керамического кирпича приводит к повышению степени гидратации и образованию более плотной и однородной тонкозернистой структуры и повышению прочности камня шлакощелочного вяжущего.

4. Установлены зависимости гранулометрического состава и содержания поверхностных зарядовых центров алюмосиликатной составляющих на прочность и сроки схватывания камня шлакощелочных вяжущих.

Практическая значимость работы

- разработаны рациональные составы бездобавочных и композиционных с добавками молотого боя керамического кирпича нормально-, быстро- и особобыстротвердеющих шлакощелочных вяжущих марок от М400 до М1200 и бетонов классов от В20 до В80;

- разработан проект технических условий на композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического кирпича.

Апробация работы

Результаты проведенных исследований докладывались: на 55-57 Республиканских научно-технических конференциях (Казань - 2003-2005); на 5 Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Наука. Инновации. Бизнес" (Казань - 2005). Результаты проведенных исследований опубликованы в сборниках трудов: 55-57

Республиканских научно-технических конференций (Казань - 2003-2005); Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные вопросы строительства" (Саранск - 2003); V Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии" (Тула -2004); IIIV академических чтений РААСН «Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения» (Самара-2004); Международной научно-практической Интернет -конференции "Проблемы и достижения строительного материаловедения" (Белгород - 2005); 5 Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Наука. Инновации. Бизнес" (Казань -2005); II Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону "Бетон и железобетон - пути развития" (Москва - 2005); в Вестнике отделения строительных наук (Нижний Новгород. - 2004); в журнале Строительные материалы, (Москва - 2005, №3, №8).

Публикации

По результатам работы опубликовано 13 статей и тезисов докладов, поданы 2 заявки на выдачу патента на изобретения.

Работа выполнена в соответствии с планами фундаментальных и прикладных исследований отделения строительных наук РААСН

Автор защищает

- разработанные составы рядовых, высокопрочных, нормально-, быстро- и особобыстротвердеющих бездобавочных и композиционных шлакощелочных вяжущих, раСгворов и бетонов с добавками молотого боя керамического кирпича с повышенными эксплуатационными характеристиками на основе нейтральных и кислых шлаков соответственно Орско-Халиловского и Челябинского металлургических комбинатов.

- результаты исследований взаимосвязи удельной поверхности, w >

- гранулометрического состава и свойств шлакощелочных и композиционных шлакощелочных вяжущих;

- результаты исследований влияния добавок молотого боя керамического кирпича на свойства и структуру композиционных шлакощелочных вяжущих и бетонов на их основе.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из 5 глав, приложений и списка литературы, включающей 186 наименований. Основная часть работы изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков и 42 таблицы.

Автор выражает благодарность за постоянное внимание и консультации члену корреспонденту РААСН, профессору Рахимову Равилю Зуфаровичу.

Заключение диссертации по теме «Строительные материалы и изделия», Соколов, Андрей Александрович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе выявленных закономерностей и установленных зависимостей свойств вяжущих, растворов и бетонов от вида и удельной поверхности молотых гранулированных доменных шлаков Челябинского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов, вида затворителей и содержания молотого боя керамического кирпича разработаны нормально-, быстро- и особобыстротвердеющие композиционные шлакощелочные вяжущие марок до Ml200 и бетоны на их основе классов по прочности до В80, по морозостойкости до F800 и по водонепроницаемости до W25.

2. Показано, что введение добавок молотого боя керамического кирпича до 30 % позволяет повысить прочность шлакощелочных вяжущих до 30-32 %, а до 60 % - равнопрочные с бездобавочными составами.

3. Установлены зависимости гранулометрического состава и содержания поверхностных зарядовых центров шлака от тонкости его помола.

4. Показано, что введение добавок молотого боя керамического кирпича приводит к повышению степени гидратации и образованию более плотной и однородной тонкозернистой структуры камня.

5. Показано, что продолжительность помола до 600 м /кг композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками 30%, 60% и 80% молотого боя керамического кирпича соответственно в 1,3 раза больше, 1,5 и 2 раза меньше, чем продолжительность помола бездобавочного до удельной поверхности 300 м /кг.

6. Выявлено, что бетоны на основе композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича имеют пониженный уровень высолообразования по сравнению с бетонами на бездобавочном шлакощелочном вяжущем.

7. Разработан проект технических условий на композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического кирпича.

8. Расчетная стоимость композиционного шлакощелочного вяжущего ниже стоимости портландцемента от 30 % до 3 раз в зависимости от марки вяжущего и вида затворителя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соколов, Андрей Александрович, 2006 год

1. Ильичев В.А. Строительный комплекс в век информационных технологий и один день без них. // Архитектура и строительство Москвы, №2-3, 2002, с.46-50.

2. Баринова JI.C., Волков Ю.С. Строительство определяющий фактор устойчивого развития. Информационный бюллетень, №5, 2002, с.2-4.

3. Стратегия развития строительного комплекса Российской Федерации на период до 2010 года.

4. Петрова Т. М., Комохова П.Г., Чибисова Н. П., Тарасов А. В. Радиационностойкий бетон на основе шлакощелочного вяжущего // Цемент. -1997. январь-февраль, -с. 33-35.

5. Каушанский В.Е., Трубицин А.С., Казаков С.Б. Влияние термообработки доменного гранулированного шлака на его размалываемость и активность // Изв. вузов. Строительство. -2003. -№7. -с.58-62.

6. Глуховский В.Д. Грунтосиликаты, их изготовление, свойства и применение// Автореф. . к.т.н. -Киев. -1960. -21 с.

7. Глуховский В.Д. Грунтосиликаты, их свойства, технология изготовления и область применения // Автореф. . д.т.н., -Киев, -1965.-48 с.

8. Гелевера А. Г. Быстротвердеющие и особобыстротвердеющие высокопрочные шлакощелочные вяжущие // Автореф. дисс. .к.т.н. -К.-1986.-20 с.

9. Гончаров Н.Н. Коррозионная стойкость шлакощелочных вяжущих и бетонов // Автореф.к.т.н. Киев. - 1984. -19 с.

10. Гоц В.И. Влияние температурного фактора на процессы структурообразования и свойства шлакощелочных бетонов // Автореф.к.т.н. Киев. - 1983. -24 с.

11. Жукова Р. С. Синтез и исследования щелочных алюмосиликатов на основе глинистых минералов и гидроксида калия // Автореф.к.т.н. -Киев. 1973.-20 с.

12. Ильин В.П. Исследования свойств грунтосиликатных шлакощелочных бетонов для мелиоративного строительства // Автореф. дисс. .к.т.н. -Киев. -1974.- 20 с.

13. Кривенко П.В. Кислотостойкие материалы на основе щелочных алюмосиликатных связок// Автореф. к.т.н. -Киев. -1971.-20 с.

14. Кононов В. П. Прочностные и деформативные свойства шлакощелочного бетона на основе высокомодульного жидкого стекла // Автореф.к.т.н. Киев. - 1990. -19 с.

15. Костенко-Костенчук В.П. Мелкозернистые бетоны на основе шлакощелочного вяжущего и заполнителей различной крупности // Автореф.к.т.н.-Киев. 1981.-22 с.

16. Македон H.JI. Исследование свойств вяжущих и бетонов на основе гранулированных шлаков и высокощелочной пыли клинкерообжигательных печей // Автореф.к.т.н. Киев. - 1970. -20 с.

17. Матвиенко В.А. Исследование шлакощелочных вяжущих и бетонов с использованием щелочных отходов промышленных производств // Автореф.к.т.н.-Киев. 1979.-20 с.

18. Мироненко А. В. Стойкость шлакощелочных бетонов в растворах минеральных солей // Автореф.к.т.н. Киев. - 1985. -20 с.

19. Мухамедгалеева С.П. Исследование свойств и технологии изготовления бетонов на шлакощелочных вяжущих для условий Севера//Автореф. . к.т.н. -Киев. -1976. -21 с.

20. Пашков И.А. Исследование грунтосиликатных бетонов на основе грунтов, шлаков и соединений щелочных материалов Автореф.д.т.н. -Киев. 1966.-20 с.

21. Пушкарев Е. К. Синтез искусственного камня с заданными свойствами на основе щелочно-щелочноземельных вяжущих систем //Автореф. к.т.н. Киев. - 1985. -16 с.

22. Ракша В. А. Исследование влияния химического состава шлаков на свойства шлакощелочных вяжущих и бетонов на их основе // Автореф. дисс.к. т. н. -Киев. -1974. 23 с.

23. Ростовская Г.С. Исследование грунтосиликатных бетонов на основе вяжущих, содержащих глинистые компоненты // Автореф.к.т.н. -Киев. 1968.-20 с.

24. Румына Г. В. Исследование влияния глинистых минералов на свойства шлакощелочных бетонов // Автореф.к.т.н. Киев. - 1974. -26 с.

25. Рябов Г.Г. Исследование автоклавных шлакощелочных вяжущих и бетонов//Автореф.к.т.н. -Киев. -1979. -19 с.

26. Сикорский О.Н. Исследование коррозионной стойкости мелкозернистых шлакощелочных бетонов для сельского строительства//Автореф. к.т.н.-Киев. -1970.-21 с.

27. Скурчинская Ж.В. Синтез аналогов природных минералов с целью получения искусственного камня. // Автореф. . к.т.н. -Киев. -1973. -21с.

28. Тимкович В.Ю. Генезис структуры и прочности шлакощелочных вяжущих и бетонов // Автореф.к.т.н. Киев. - 1986. -26 с.

29. Чиркова В.В. Материалы на основе стеклоподобных бескальциевых алюмосиликатов и соединений натрия // Автореф.к.т.н. Киев. -1974.-22 с.

30. Материалы II республиканской научно-технической конференции по грунтосиликатам. Изд-во НИИСП Госстроя УССР, К., 1968. -236 с.

31. Тезисы докладов на республиканской научно-технической конференции по использованию и внедрению в производство и строительство новых строительных материалов грунтосиликатов, КИСИ, К., 1964. -224 с.

32. Шлакощелочные цементы, бетоны и конструкции. // Тез. докл. науч. Всесоюз. конф. -Киев. -1979. -203 с.

33. Шлакощелочные цементы, бетоны и конструкции. // Тез. докл. науч.

34. Всесоюз. конф. -Киев. -1984. -365 с.

35. Шлакощелочные цементы, бетоны и конструкции. // Тез. докл. науч.

36. I Всесоюз. конф. В 2-х т. -Киев. -1989.

37. Глуховский В. Д., Кривенко П. В., Румына Г. В., Герасимчук В. JI. Производство бетонов и конструкций на основе шлакощелочного вяжущего. -К. -Бущвельник. -1988. -144 с.

38. Румына Г.В., Матвиенко В.А., Письменная Л.Ю. Безавтоклавный шлакощелочной бетон // Строительные материалы. -№4. -1978. -с.21-24.

39. Глуховский В.Д., Ростовская Г.С. Исследование и внедрение в производство шлакощелочных вяжущих, бетонов и конструкций на их основе. -Киев. -Общ. Знание. -1979.

40. Петропавловский О.Н., Чиркова В.В., Демьянова Л.Е. Опыт производства, эксплуатации и перспективы развития сырьевой базы ШЩВ, бетонов и конструкций // Цемент. -1990. -№6. -с.20-22.

41. Калашников В.И. Перспективы развития геополимерных вяжущих // Современное состояние и перспективы развития строительного41