Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом типоморфизма сырья тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, доктор технических наук Строкова, Валерия Валерьевна

• Строкова, Валерия Валерьевна
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Строкова, Валерия Валерьевна

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Современное состояние и проблемы минерально-сырьевой базы стройиндустрии.

1.2. эволюция критериев выбора сырья промышленности строительных материалов.

1.3. Современные представления о типоморфизме и его влияние на свойства сырья.

1.3.1. Связь и влияние строения вещества на его свойства.

1.3.2. Типоморфные особенности породообразующих минералов

1.4. Свойства строительных материалов в зависимости от типоморфных признаков сырья.

1.4.1. Свойства грунтобетона в зависимости от минерального состава и строения глинистых пород.

1.4.2. Система «Са0-8Ю2-Н20» и свойства новообразований.

1.4.3. Свойства низкообжиговых материалов в зависимости от полиморфизма кварца.

1.5. Выводы.

2. ПРИНЦИПЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ С УЧЕТОМ ТИПОМОРФИЗМА СЫРЬЯ.

2.1. Теоретические основы выбора сырья стройиндустрии с учетом типоморфизма.

2.1.1. К эффективности использования типоморфных признаков при выборе сырья.

2.1.2. Эволюция уровней организации вещества при производстве строительных материалов.

2.1.3. Явление наследования степени совершенства структур сырьевых компонентов синтезируемыми.

2.2. Управление процессами структурообразования при производстве силикатных материалов автоклавного твердения с учетом типоморфизма кварца.

2.2.1. Типоморфные особенности кварца различных месторождений

2.2.2. Фазовый состав и морфология новообразований в системе «СаО-БЮг-НгО» в зависимости от степени совершенства кварца.

2.3. Расширение сырьевой базы производства грунтобетонов путем применения глинистых пород незавершенной стадии минералообразования.

2.3.1. Свойства дорожно-строительных материалов в зависимости от типоморфных особенностей глинистых пород региона КМА

2.3.2. Фрактальность структур в системе «глинистые породы КМА -грунтобетон».

2.4. Снижение энергоемкости производства керамических материалов с учетом типоморфных признаков сырья зоны гипергенеза.

2.4.1. Влияние гипергенных факторов на особенности минералообразования сырья керамических материалов.

2.4.2. Теоретические предпосылки наличия месторождений нетрадиционного сырья керамических материалов на КМА.

2.5. Повышение эффективности производства низкообжиговых материалов с учетом полиморфизма кремнезема.

2.5.1. Исследование полиморфизма кристаллического кремнезема с использованием высокотемпературного рентгенофазового анализа.

2.5.2. Фазообразование и линейная деформация обжиговых материалов в зависимости от полиморфизма кремнезема и влияния щелочесодержащих добавок.

2.6. Выводы.

3. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО ТВЕРДЕНИЯ С УЧЕТОМ ТИПОМОРФИЗМА СЫРЬЯ.

3.1. Изучение материалов плотной структуры на основе кварцевого сырья КМА.

3.1.1. Разработка материалов плотной структуры на основе отсева дробления кварцитопесчаников.

3.1.2. Влияние формы заполнителя на предел прочности при сжатии и изгибе.

3.1.3. Исследование возможности использования попутно добываемых выветрелых кварцитопесчаников.

3.1.4. Оптимизация структурно-текстурных характеристик за счет введения тонкомолотой добавки.

3.2. Предложения по оптимизации структуры строительных материалов гидратационного твердения.

3.3. Выводы.

4. ГРУНТОБЕТОНЫ ДЛЯ ДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА НА

ПРИМЕРЕ СЫРЬЯ КМА.

4.1. Глинистые грунты региона КМА.

4.2. Укрепление земляного полотна.

4.3. Оптимизация составов грунтобетона для строительства дорожных одежд.

4.4. Технология получения дорожно-строительных смесей с применением глинистых грунтов КМА.

4.5. Выводы.

5. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ

АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ ПОРОД ЗОНЫ ГИПЕРГЕНЕЗА.

5.1. Особенности производства керамических материалов.

5.2. Сырьевая база керамических материалов КМА.

5.3. Вещественный состав и строение пород коры выветривания кварцевых порфиров.

5.4. Технология получения глиноземистого концентрата.

5.5. Повышение эффективности производства керамических материалов за счет использования коры выветривания кварцевых порфиров.

5.5.1. Изделия грубой керамики на основе глиноземистого концентрата выветрелых кварцевых порфиров.

5.5.2. Изделия со спекшимся черепком.

5.6. Выводы.

6. НИЗКООБЖИГОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВЫХ ПОРОД.

6.1. Влияние тонкодисперсной фракции кварца и железосодержащих отходов ОЭМКа на микроструктуру низкообжиговых материалов.

6.2. Свойства низкообжиговых изделий в зависимотси от состава и температуры синтеза.

6.3. Разработка технологии производства низкообжиговых изделий на основе кварцевых пород.

6.4. Выводы.

7. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

7.1. Особенности использования техногенного сырья при производстве строительных материалов.

7.2. К вопросу о структурно-текстурных характеристиках строительных материалов.

7.2.1. Структурно-текстурные характеристики горных пород.

Анализ структур, применяемых при описании строительных ф материалов.

7.2.3. Методика описания на примере строительных материалов гидратационного твердения.

7.3. Реализация результатов при производстве силикатных автоклавных материалов.

7.3.1. Получение плотных материалов гидротермального твердения на основе кварцевого сырья КМА.

7.3.2. Оценка экономической эффективности использования отсева дробления кварцитопесчаника.

7.3.3. Силикатные автоклавные материалы поризованной структуры на основе песков месторождений Сургута.

7.3.3.1. Влияние тонкодисперсной добавки.

7.3.3.2. Обоснование выбора технологии.

7.3.3.3. Разработка технологической схемы производства.

7.3.4. Обоснование предложения по дополнению ОСТ 21-1

7.4. внедрение грунтобетонов на основе глинистого сырья кма при строительстве автомобильных дорог.

7.4.1. Технология устройства оснований.

7.4.2. Технология строительства при использовании грунтобетонов на основе глинистого сырья региона КМА.

7.4.3. Оценка экономической эффективности использования грунтобетона на основе глинистого сырья региона КМА при устройстве оснований автомобильных дорог.

7.5. Апробация результатов работы при производстве низкообжиговой тротуарной плитки на основе кварцевого сырья.

7.5.1. Разработка технологической схемы производства низкообжиговой тротуарной плитки.

7.5.2. Оценка экономической эффективности производства тротуарной плитки на основе кварцевых пород.

7.6. Использование результатов работы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 29.10 и 29.06.

7.7. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом типоморфизма сырья»

Актуальность. Важнейшей задачей современности является снижение энергоемкости производства продукции. Особенно это актуально для промышленности строительных материалов, где затраты энергии на единицу продукции в Российской Федерации значительно выше, чем в ведущих странах Европы, США и Японии. Повышение эффективности производства строительных материалов подразумевает, с одной стороны, поиски новых технологических решений, с другой - более глубокое и всестороннее изучение энергетики исходного сырья. В связи с ограниченностью природных ресурсов, труднодос-тупностью новых месторождений и низкой технологичностью минерального сырья все большую актуальность приобретают исследовательские работы, связанные с изучением влияния типоморфных признаков породообразующих минералов на энергоемкость производства строительных материалов. Каждое месторождение стройиндустрии характеризуется определенными типоморфными признаками слагающих его минералов, которые выступают в качестве индикаторов скрытого потенциала минеральных запасов как природного, так и техногенного сырья.

Недостаточное аппаратурное обеспечение и неполное использование информации минералого-геохимического характера не позволяли уделять должного внимания вопросу влияния типоморфных признаков сырья и, особенно, кристаллохимических особенностей породообразующих минералов на процессы синтеза новообразований в сложных системах искусственных конгломератов и структурно-текстурные характеристики строительных композитов.

Представляется необходимым разработка теоретических положений повышения эффективности производства строительных материалов и расширения сырьевой базы стройиндустрии с учетом типоморфных признаков сырья.

Работа выполнялась в рамках НТП Минобразования РФ «Методологические основы рационального использования техногенного сырья в промышленности строительных материалов» (шифр 03.01.055) и НТП «Кристаллохимиче-ские основы оптимизации процессов структурообразования в строительном материаловедении при использовании техногенного сырья» (шифр 207.03.01.078), раздела 03 «Проблемы рационального использования минеральных ресурсов»; ГРАНТа по фундаментальным исследованиям в области технических наук Министерства образования РФ «Кристаллохимические предпосылки создания эффективных обжиговых материалов в зависимости от

1 генезиса кварцевых пород», шифр Т. 02-12.2-1587; единого заказ-наряда на проведение научно-исследовательских работ, финансированного из средств федерального бюджета, утвержденного Министерством образования РФ на 1999-2003 гг.

Цель работы. Повышение эффективности производства строительных материалов и расширение сырьевой базы стройиндустрии с учетом типомор-физма породообразующих минералов и наследования степени совершенства кристаллических структур сырьевых минералов, новообразованными при синтезе искусственных композитов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка методологических основ повышения эффективности производства строительных материалов и расширения сырьевой базы стройиндустрии с учетом типоморфизма сырья и наследования степени совершенства кристаллических структур сырьевых минералов новообразованными;

- разработка энергосберегающих технологий получения стеновых и дорожно-строительных материалов.

Научная новизна. Разработаны методологические основы повышения эффективности производства строительных материалов и расширения сырьевой базы стройиндустрии с учетом типоморфных признаков сырья. Установлен характер влияния на процессы структурообразования неорганических строительных материалов типоморфных признаков сырья: габитуса кристаллов, характера агрегатов и поверхности зерен, содержания в минералах изоморфных элементов примесей, степени упорядоченности структур минералов, видов и количества дефектов, полиморфизма, изоморфизма и др. Это позволяет прогнозировать характер структурообразования в системе «сырье - строительный материал» и контролировать процессы самоорганизации при синтезе сложных техногенных систем, которыми являются искусственные композиты.

Установлено явление наследования степени совершенства кристаллических структур сырьевых минералов новообразованными при синтезе искусственных композитов, заключающееся в том, что при одинаковых условиях синтеза, направленных на создание вещества с высокими технологическими показателями, но с минимумом энергозатрат, синтезировать высокозакристал-лизованные новообразования с более высоким видом симметрии можно лишь в результате использования в качестве сырьевых компонентов вещества также максимально симметричные и с минимальным содержанием несовершенств кристаллической структуры. И, напротив, при синтезе композита с дефектными новообразованиями необходимо использовать сырье незавершенной стадии минералообразования. Это позволит получать сырьевые смеси с качественно новым энергетическим состоянием, что создаст объективные условия для внедрения нанотехнологий в строительное материаловедение.

Установлен характер влияния степени несовершенства кварца на его реакционную способность и фазовый состав синтезируемых гидросиликатов кальция в системе «Ca0-Si02-H20», заключающийся в том, что при использовании кварца с высокой степенью кристалличности, при прочих равных условиях, образуются высокоосновные фазы, и, напротив, при высокой степени несовершенства структуры формируются низкоосновные гидросиликаты кальция. В то же время, при синтезе новообразований с использованием аморфного кремнезема, вопреки данной закономерности, образуются высокоосновные гидросиликаты кальция. Это объясняется высокой растворимостью данного типа кремнезема и образованием из пересыщенного раствора опала, что и приводит к дефициту SÍO2 и синтезу высокоосновных новообразований.

Выявлен механизм влияния минерального состава и типоморфных особенностей глинистого сырья на процессы структурообразования матрицы при синтезе грунтоизвестковых композитов и цементогрунтобетонов. Установлено, что наиболее перспективными для этих целей являются фазы, характеризующиеся незавершенной стадией минералообразования, к которым относятся: рентгеноаморфное вещество, смешанослойные образования и суглинки эолово-элювиально-делювиального генезиса четвертичного периода, а также опоковидные глины умеренных глубин региона КМА. Реализация осуществлена при проектировании грунтобетона для строительства оснований дорожных одежд.

Уточнен характер полиморфных переходов кристаллического кремнезема различных генетических типов в процессе подъема температуры методом высокотемпературного рентгенофазового анализа, в том числе в присутствие ще-лочесодержащих добавок. Доказано отсутствие образования высокотемпературной фазы а-тридимита, установлено начало формирования а-кристобалита при 1130 °С, устойчивое существование фазы a-кварца до температуры 1470 °С. Впервые установлены температурные границы интервалов существования моно- и смешанных фаз. Монотропное существование Р-кварца возможно до 290 °С, a-кварца с 573 до 1130 °С, а-кристобалита - выше 1470 °С. В температурном интервале 290-573 °С одновременно присутствуют (3- и ос-модификации кварца, а в интервале 1130-1470 °С - а-кварца и а-кристобалита. Это позволило разработать технологии производства широкой номенклатуры строительных материалов.

Сформулированы принципы повышения эффективности производства керамических материалов за счет использования нетрадиционного алюмосили-катного сырья зоны гипергенеза, при этом критерием эффективности глиноземистого сырья выветрелых пород являются несовершенства кристаллической структуры глинистых минералов. Наличие подобного сырья будет способствовать расширению номенклатуры производства в ЦЧЭР России белого и цветного цементов, муллитовых огнеупоров, эффективного лицевого кирпича.

Практическое значение. Разработаны принципы проектирования эффективных строительных материалов с учетом типоморфных признаков сырья.

На основании выявленных закономерностей влияния типоморфных особенностей кварца на свойства строительных материалов автоклавного твердения предложены дополнения к ОСТ 21-1-80 "Песок для производства силикатных изделий автоклавного твердения".

Модернизировано оригинальное оборудование и разработан ряд методик для высокотемпературного рентгенофазового анализа, позволяющие выполнять исследования до 1500 °С с более высокой скоростью и разрешающей способностью записи спектров изменения фазового состава при помощи пакета программ РЕ1ЛЭоз на ЭВМ, изучать кинетику фазообразований вплоть до полного расплава при непрерывном изменении процессов во времени и температуре, а так же автоматизировать последующую обработку и распечатку серий полученных дифрактограмм.

Разработана классификация грунтов КМА. Определены генетические типы грунтов, наиболее пригодных для укрепления неорганическими вяжущими.

Предложены оптимальные составы для укрепления земляного полотна и устройства оснований автомобильных дорог на основе глинистого сырья различных генетических типов. Разработана технология производства грунтобетона и сухих дорожно-строительных смесей.

Разработана технология производства низкообжиговой тротуарной плитки широкой цветовой гаммы на основе кварцевого сырья и техногенных отходов КМА.

Практические результаты и научная новизна работы защищены патентами

РФ.

Внедрение результатов исследований. Результаты проведенных исследований позволили апробировать и внедрить в производство технологии: известково-кремнеземистого вяжущего с использованием выветрелых кварци-топесчаников; силикатных автоклавных материалов на основе отсева дробления кварцитопесчаников; грунтобетонов на основе глинистых пород региона КМА и известьсодержащих отходов; низкообжиговой тротуарной плитки на основе широкодоступного кварцевого сырья различных генетических типов.

Для широкомасштабного внедрения результатов работы при строительстве и реконструкции автомобильных дорог, устройстве тротуаров и производстве стеновых силикатных автоклавных материалов разработаны технологические документы:

- технические условия на «Вяжущее из известковых отходов сахарных заводов». ТУ 5744-008-02066339-00;

- рекомендации по использованию глинистых грунтов КМА для укрепления оснований дорожных одежд;

- технологический регламент на «Производство цементогрунтов с использованием глинистых пород КМА и вяжущего из известковых отходов сахарных заводов для укрепления оснований дорожных одежд»;

- технологический регламент на «Изготовление обжиговой тротуарной плитки на основе кварцевых пород»;

- технические условия на «Плитку тротуарную на основе кварцевых пород». ТУ 5746-016-2066339-2004;

- рекомендации по использованию железосодержащих отходов ЭСПЦ ОЭМК;

- технические условия на «Песок строительный из отсева дробления кварцитопесчаников Лебединского месторождения». ТУ 5743-009-02066339-2002.

Выпущены опытно-промышленные партии низкообжиговой тротуарной плитки, силикатного кирпича, мелких стеновых блоков из газосиликата.

Результаты работы использовались при реализации программы «Развитие дорожной сети в сельских населенных пунктах Белгородской области и их благоустройство» (постановление Областной Администрации Белгородской области № 494 от 23.09.1998), в рамках которой реконструировано, благоустроено и построено более 3300 км автомобильных дорог и тротуаров. При этом получен значительный экологический, социальный и экономический эффект. р Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленного внедрения: способствовали созданию НИЛ «Грунтобетоны для дорожного строительства»; используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 29.10 и 29.06, что отражено в учебных программах дисциплин «Материаловедение», «Строительные материалы и изделия», «Основы научных исследований»; использованы в изданных учебных пособиях: «Охрана окружающей среды на предприятиях дорожного строительства», 1997; «Лабораторный практикум по строительным материалам», 2001; «Минералогия и петрография сырья для производства строительных материалов и технической керамики», 2001.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на 24 Международных конференциях и симпозиумах, 5 академических чтениях РААСН, Всероссийской и Региональной конференциях, в том числе: Четвертых, пятых и шестых международных симпозиумах «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» (Белгород, 1997, 1999, 2001); Научной конферен-ф ции Кольского филиала РАН (Апатиты, 1998); II конгрессе обогатителей стран

СНГ (Москва, 1999); Международных научно-практических конференциях-школах-семинарах молодых ученых и аспирантов (Белгород, 1998, 1999, 2001); IX Международной конференции «Технология, оборудование и сырьевая база горных подотраслей промышленности строительных материалов» (Москва, 2000); Международных научно-технических конференциях: «Резервы производства строительных материалов» (Барнаул, 1997), «Проблемы научно-технического прогресса в строительстве в преддверии нового тысячелетия» (Пенза, 1999), «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2000), «Проблемы и перспективы архитектуры и строительства» (Томск, 2003); Международных научно-практических конференциях: «Проблемы науки, образования и устойчивого развития общества в начале XXI века» (Чимкент, 2003), «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (Белгород, 2004); Международной конференции «Кристаллогене-зис и минералогия» (С.-Петербург, 2001); Международном конгрессе «Проблемы бетонных конструкций» (Шотландия, 2002); Международном совещании «Рентгенография и кристаллохимия минералов» (С.-Петербург, 2003); Международном форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2003); Международном минералогическом семинаре «Кварц. Кремнезем»

Сыктывкар, 2004); Вторых, четвертых, пятых, шестых и седьмых академических чтениях РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» (Казань, 1996), (Пенза, 1998), (Воронеж, 1999), (Иваново, 2000), (Белгород, 2001).

Под руководством автора защищены четыре диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

На защиту выносятся. Методологические основы повышения эффективности производства строительных материалов с учетом типоморфных признаков сырья.

Явление наследования степени совершенства кристаллических структур сырьевых минералов новообразованными при синтезе искусственных композитов.

Характер влияния степени несовершенства кварца на его реакционную способность и фазовый состав синтезируемых гидросиликатов кальция в системе «СаО-БЮг-НгО».

Механизм структурообразования и набора прочности грунтобетонов на основе глинистых пород КМА.

Принципы повышения эффективности производства керамических материалов за счет использования нетрадиционного алюмосиликатного сырья зоны гипергенеза.

Характер полиморфных переходов кристаллического кремнезема различных генетических типов в процессе подъема температуры методом ВТРФА, в том числе в присутствие щелочесодержащих добавок.

Технологии производства эффективных стеновых и дорожно-строительных материалов.

Результаты производственных испытаний и внедрения.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 83 работах, в том числе в 6 монографиях и учебных пособиях, 11 статьях научных журналов по списку ВАК России, защищены патентами РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из семи глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 440 страницах машинописного текста, включающих 136 рисунков и фотографий, 66 таблиц, список литературы из 438 наименований, 18 приложений.