На правах рукописи
ЧЕРНЫШЕВА НАТАЛЬЯ ВАСИЛЬЕВНА
ВОДОСТОЙКИЕ ГИПСОВЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ
05.23.05 –Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Белгород 2014 2
Работа выполнена в Федеральномгосударственном бюджетном осударственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет Белгородский им. В.Г. Шухова»
– член-корреспондент РААСН РААСН,
Научный консультант доктор технических наук, профессор Лесовик Валерий Станиславович
Официальные оппоненты – Белов Владимир Владимирович советник РААСН, доктор технических наук, профессор, проректор по научной работе ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет», заведующий кафедрой производства строительных изделий и конструкций – Гаркави Михаил Саулович доктор технических наук, профессор, ЗАО профессор "Урал-Омега" (г. Магнитогорск заместитель Магнитогорск), главного инженера по науке и инновациям – Бурьянов Александр Федорович доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО государственный «Московский строительный университет университет», профессор кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов – ФГБОУ ВПО «Казанский государственный Казанский
Ведущая организация архитектурно-строительный университет строительный университет»
Защита диссертации состоится «_29_» января 2015 года в 14–30 ч на заседании диссертационного Совета Д.212.014.01 в ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова по адресу:
Шухова»
308012, г. Белгород, ул. Костюкова 46, главный корпус, ауд. 242.
Костюкова,.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им В.Г. Шухова»
им.
www.gos_att.bstu.ru.
Автореферат разослан « 14 » ноября 2014 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук профессор наук, Г.А. Смоляго Актуальность работы. Стратегия развития промышленности строительных материалов РФ на период до 2020 направлена на расширение номенклатуры строительных материалов повышенного качества, эксплуатационной надежности и эффективных технологий их производства, которые обеспечивают значительное снижение массы возводимых зданий и сооружений, с преимущественным использованием местных материалов. В связи с этим требуется применение новых видов доступных природносбалансированных сырьевых ресурсов, с учетом их генезиса и устойчивости системы «человек – материал – среда обитания». К таким материалам можно отнести бетоны нового поколения - композиты, отличительной особенностью которых является учет физико-химических возможностей каждого компонента бетонных и строительных смесей, предыстории подготовки их взаимодействия друг с другом, осознанный выбор методов их активации и модифицирования механическими, физическими, химическими и комбинированными внешними воздействиями.
Этим требованиям в полной мере отвечают водостойкие гипсовые композиционные материалы, производство которых на сегодняшний день требует расширения диапазона их использования и обновления технологических решений на основе последних научных достижений.
Научно-техническая база технологических процессов получения и применения существующих гипсовых композиционных материалов в полной мере не может удовлетворять возросшим требованиям рынка ни по количеству выпускаемой продукции, ни по обеспечению экономии минеральных и энергетических ресурсов, что связано с отсутствием теоретической базы снижения энергозатрат производства композитов с учетом происхождения составляющего их природного и техногенного сырья. Для решения данной проблемы необходима разработка теоретических положений повышения эффективности производства строительных материалов на основе водостойких композиционных гипсовых вяжущих (КГВ) с учетом генетических особенностей сырья.
Работа выполнялась в рамках задания Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований по тематическому плану научно-исследовательских работ МД-2906.2007.8 «Методические принципы проектирования композиционных вяжущих при использовании нанодисперсных модификаторов с учетом типоморфизма сырья» (2007-2008), в ресурсосберегающих технологий производства и применения эффективных строительных материалов, изделий и конструкций»,102007082232 «Разработка фундаментальных основ получения высококачественных бетонов нового поколения с учетом генетических особенностей нано- дисперсных модификаторов» (2010-2012), Программы стратегического развития БГТУ им.
В.Г. Шухова на 2012-2016 г.г.
Цель работы - повышение эффективности производства водостойких композиционных гипсовых вяжущих и широкой номенклатуры строительных материалов на их основе с учетом генезиса сырья.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
– разработка теоретических и методологических основ повышения эффективности производства и применения водостойких гипсовых композиционных материалов;
–исследование свойств КГВ и материалов на их основе для стеновых, дорожно-строительных материалов и сухих отделочных смесей;
– разработка энергосберегающих технологий производства водостойких гипсовых композиционных материалов для стеновых, дорожно-строительных материалов и сухих отделочных смесей;
–подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований в промышленное производство и учебный процесс;
–промышленная реализация результатов исследований и оценка их технико-экономической эффективности.
Научная новизна. Разработаны теоретические основы повышения эффективности производства водостойких гипсовых композиционных материалов, заключающиеся в получении КГВ на основе полуводного гипса, портландцемента, новых для строительного материаловедения видов минеральных добавок (полигенетического кремнеземсодержащего компонента зеленосланцевой степени метаморфизма, бетонного лома и др.) и органических добавок. Установлен характер синергетического влияния кремнеземсодержащих компонентов из природного и техногенного сырья с учетом их генезиса на процессы структурообразования системы «гипс – цемент – минеральная добавка – СП – вода» при твердении водостойкого КГВ, заключающийся в формировании более плотной и мелкозернистой структуры композита за счет синтеза в матрице двуводного сульфата кальция низкоосновных гидросиликатов и гидроалюмосиликатов кальция, что ведет к повышению прочности, водостойкости и долговечности затвердевшей матрицы.
Предложена модель структурообразования КГВ. На первой стадии быстрый набор прочности системы осуществляется за счет синтеза крупных кристаллов двуводного гипса, одновременно выполняющих функцию регулируемого раннего схватывания. В дальнейшем, в ранее созданной структуре, в результате гидратации клинкерных минералов происходит формирование нового типа определенным образом организованной структуры за счет кристаллизационного роста нано- и микро- размерных низкоосновных гидросиликатов кальция, уплотняющих структуру, зависящих от генетических особенностей кремнезема в составе минеральных добавок и обеспечивающих повышение прочности и водостойкости затвердевшего гипсоцементного камня.
Последующая кристаллизация ранее сформированных объектов, способствует самоуплотнению системы различных морфогенетических типов нано- и микроразмерных кристаллических образований, форма которых задается еще на докристаллизационной (второй) стадии. На третьем этапе формируются новообразования второй генерации гидросиликатов кальция за счет взаимодействия выделяющегося портландита при гидратации алита с активными рентгеноаморфными частицами минеральных добавок, с их последующей самоорганизацией, что обеспечивает конечную прочность и водостойкость материала. Подобный механизм гидратации КГВ минимизирует внутренние напряжения и объемные деформации, в связи с чем уменьшается количество микротрещин, что приводит к повышению эффективности синтезируемого КГВ по сравнению с традиционно применяемым гипсовым вяжущим.
Научно обоснованы и разработаны принципы проектирования эффективных водостойких композитов на разработанных КГВ и технологические способы их получения для стеновых, дорожно-строительных материалов и сухих отделочных смесей, а также составы и способы получения композитов на гипсовом вяжущем, полученном безобжиговым энергосберегающим способом, основанном на протекании реакции дегидратации двуводного гипса (из фосфогипса) под воздействием химического водоотнимающего средства – серной кислоты.
Установлен характер влияния состава, структуры и условий эксплуатации композитов на их свойства, заключающийся в оптимизации размеров и морфологии частиц КГВ, создании высокоплотной упаковки заполнителя, что приводит к оптимизации микроструктуры гипсоцементного камня и контактной зоны с заполнителем и, как следствие, существенно повышает предел прочности при сжатии композита.
С целью прогнозирования свойств композитов при проектировании их оптимальных составов разработаны математические модели, связывающие качественные показатели материала (сроки схватывания, подвижность, прочность при сжатии) с составом бетонной смеси. Выявлены закономерности и созданы модели, позволяющие проектировать бетон на КГВ различных видов (тяжелый, легкий, для дорожно-строительных материалов) с заданными свойствами при минимальных затратах на производство.
Практическая значимость. Разработана классификация сырьевых материалов для производства КГВ с учетом генезиса сырья, способствующая прогнозированию свойств материалов на уровне выбора исходных компонентов, а также при их синтезе.
Предложена рациональная область использования природных и техногенных сырьевых кремнеземсодержащих компонентов разных генетических типов в качестве активных минеральных добавок при производстве КГВ, оптимизированы их составы, что позволяет одновременно решать вопросы экологии и расширения базы сырьевых ресурсов для производства водостойких гипсовых композиционных материалов.
Подготовлена нормативная документация, проведены промышленные испытания и внедрение.
Разработаны и методически обоснованы рекомендации по оптимизации составов КГВ с микродисперсными минеральными добавками из техногенного сырья, с армирующими волокнами и комплексными химическими добавками (КХД) для стеновых и дорожно-строительных материалов повышенной водостойкости и долговечности классов по прочности на сжатие В5–В30, средней плотностью D1000–2100 кг/м3, морозостойкостью F20–F50, Кр = 0,65– 0,8 и определены рациональные области их применения.
Для снижения энергоемкости производства композитов из мелкозернистого бетона на КГВ предложены: модификация кварцевого песка радиационно-термической активацией пучком ускоренных электронов, а также низкоэнергетическая активация мелкозернистой бетонной смеси на основе отходов ММС внешним магнитным полем, которые позволяют повысить предел прочности при сжатии на 30-40%.
С учетом специфики кремнеземсодержащих минеральных добавок из природного и техногенного сырья различных генетических типов – полиминеральности, полигенетичности, морфологии зерен и их поверхности, разработаны технологии производства водостойких КГВ, стеновых и дорожностроительных материалов на их основе, с улучшенными техническими характеристиками.
Предложена технология получения гипсового вяжущего безобжиговым энергосберегающим способом, основанном на протекании реакции дегидратации двуводного гипса из фосфогипса, под воздействием химического водоотнимающего средства – серной кислоты.
Получены составы сухих штукатурных, побелочных и шпаклевочных смесей на основе гипсового вяжущего (конечного продукта переработки фосфогипса) с высокими строительно-техническими характеристиками, удовлетворяющими требованиям нормативной документации.
Практические результаты работы защищены авторскими свидетельствами на изобретение, ноу-хау и внедрены в учебный процесс.
Внедрение результатов исследований. Промышленная апробация полученных результатов осуществлялась: на Новомосковском гипсовом комбинате Тульской области; при устройстве укрепленных оснований экспериментальных участков автомобильных дорог в х. Игнатово Алексеевского р-на, г. Строитель, п. Веселая Лопань и с. Никольское Белгородской области; на ООО «ЭЛИТСТРОЙ» в поселке Мичурина Октябрьского района Чеченской республики; на ОАО «Завод ЖБК-1» и ООО «Экостройматериалы» в Белгородской области; на ООО «ОКОР» (г. Вологда) и предприятиях Туниса (г. Сус и г. Монастир); в компании «ЭЛЬТИХАД» (г.
Вифлеем, Палестина).
Результаты проведенных исследований позволили апробировать и внедрить в производство технологии:
– композиционных гипсовых вяжущих с кремнеземсодержащими минеральными добавками разных генетических типов;
– мелкоштучных стеновых материалов из мелкозернистого бетона на основе КГВ с применением в качестве заполнителя местных песков, отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (отходов ММС), золошлаковых отходов ТЭЦ;
– стеновых материалов из легкого и тяжелого бетона, изготавливаемых без тепловой обработки;
– сухих строительных смесей для штукатурных и отделочных работ;
– быстротвердеющих органоминеральных смесей на основе фрезерованного асфальта и КГВ с минеральной добавкой отходов ММС железистых кварцитов для устройства дорожного основания и ремонта автомобильных дорог.
Разработаны нормативные и технические документы:
– технические условия ТУ 65.05-217-85 «Вяжущее гипсоцементно-пуццолановое с шамотной пылью»; ТУ 5743-001-02066339-2005 «Быстротвердеющее композиционное вяжущее с использованием отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов Лебединского горнообогатительного комбината в качестве кремнеземсодержащего компонента»;
ТУ 5745-003-50989648-2006 «Сухие смеси штукатурные на основе фосфогипса»; ТУ 5745-005-50989649-2006 «Сухие смеси шпаклевочные на основе гипсового вяжущего из фосфогипса»;
–стандарты организации: СТО 02066339-008-2010 «Композиционное гипсовое вяжущее с использованием отходов мокрой магнитной сепарации (ММС) железистых кварцитов Лебединского горно-обогатительного комбината (ЛГОК) в качестве кремнеземсодержащего компонента»; СТО 02066340-017- «Композиционное гипсовое вяжущее с использованием золошлаковых отходов»;
–технологические регламенты и рекомендации по изготовлению стеновых и дорожно-строительных материалов из легкого и тяжелого бетонов на КГВ.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных исследований и практического внедрения в промышленных условиях реализованы в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 08.03.01 – «Строительство» профиля подготовки «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», а также магистров по направлению 08.04.01 – «Строительство» профиля подготовки «Технология строительных материалов, изделий и конструкций», что отражено в монографиях и исследований», исследования строительных материалов», «Строительные материалы и изделия», а также при выполнении НИР и выпускных квалификационных работ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены: на 24 Международных конференциях и симпозиумах, академических чтениях РААСН, Всероссийских и региональных конференциях, в том числе: Всесоюзной конференции (IХ научные чтения) «Ускорение научно-технического прогресса в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 1987); Межреспубликанском семинаре «Новые строительные композиты из природных и техногенных продуктов»
(Калининград-Юрмала, 1991); Научно-технической конференции (Пенза, 1992);
1-й Международной научно-практической конференции «Проблемы строительного производства и управления недвижимостью» (Кемерово, 2010), а также на международных научно-технических и практических конференциях в Брянске (1985, 2013), Тамбове (2013), на ежегодных научно-технических конференциях в БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 2002-2013), Международном научном симпозиуме «Инновации в области применения гипса в строительстве»
(Москва, 2012), IV Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий» (Пермь, 2012), 1-й Веймарской гипсовой конференции (Веймар, 2011), Международной научной конференции «Геоника: Проблемы строительного материаловедения; энергосбережение; экология» (Белгород 2012), 2-й Веймарской гипсовой конференции «Гипс (не) только в строительстве» (Веймар, 2014); Седьмой Международной конференции "Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий" (Нижний Новгород, 10-12 сентября, 2014).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 49 работах, в том числе в научных статьях в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, отражены в 4 монографиях и учебных пособиях, защищены авторскими свидетельствами и ноу-хау.
На защиту выносятся:
–методологические принципы проектирования КГВ повышенной водостойкости и композитов на их основе требуемого качества за счет регулирования процессов структуро- и фазообразования композитов с учетом генетических особенностей природного и техногенного гипсового и кварцсодержащего сырья;
–разработанные составы и технология производства КГВ повышенной водостойкости с минеральными добавками разных генетических типов, учитывая особенности структурообразования композитов на КГВ с комплексными химическими добавками;
–рецептурные и технологические приемы изготовления стеновых и дорожно-строительных материалов из легкого и тяжелого бетонов путем использования КГВ с активными минеральными добавками из природного и техногенного сырья разного генезиса;
–экспериментально-теоретические исследования физико-механических и деформативных свойств композитов на КГВ;
–результаты производственных испытаний и внедрения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из восьми глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 434 страницах машинописного текста, включающего 110 таблиц, рисунков и фотографий, списка литературы из 345 наименований, приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Одной из важнейших проблем современности является создание комфортных условий для существования человека на планете Земля, снижение энергоемкости производства композитов, расширение номенклатуры строительных материалов и эффективных технологий их производства с учетом генезиса сырья и устойчивости системы «человек – материал – среда обитания». Современные тенденции развития строительного материаловедения связаны с переходом к созданию многокомпонентных, многослойных, многоуровневых композиционных материалов с заданным набором свойств, их структурной и функциональной организацией. Это обеспечивает их поведение, адаптированное к переменным факторам окружающей среды на протяжении всего срока эксплуатации, но и, как минимум, сохранность или повышение качества среды обитания. Имеющиеся научно-технические разработки в области гипсовых вяжущих, материалов и изделий за последние 50 лет, а также благоприятные экологические и технико-экономические аспекты производства и применения материалов и изделий на их основе указывают на то, что имеются все предпосылки для широкого применения их как в традиционных, так и в новых направлениях современного строительства и реконструкции. В связи с этим требуется разработка эффективных быстротвердеющих строительных композитов, получаемых с применением новых видов доступных сырьевых материалов, обладающих повышенными эксплуатационными характеристиками. Этим требованиям в полной мере отвечают водостойкие и морозостойкие гипсовые композиты, применение которых позволит не только снизить дефицит стеновых материалов, но во многих случаях заменить энергоёмкие цементные бетоны и значительно сократить сроки возведения зданий и сооружений.
структурообразования гипсовых композиционных материалов посвящены многие научно-исследовательские разработки ученых РФ и зарубежных стран.
Применение этих материалов в строительстве значительно снижает негативное воздействие на окружающую среду по сравнению с традиционно применяемым портландцементом (таблица 1).
Экологический аспект производства минеральных вяжущих Портландцемент Известь В мировой практике темпы выпуска строительных материалов на основе водостойких КГВ стремительно растут. Широкое использование гипсовых материалов в России особенно актуально, так как половина мировых запасов разведанных месторождений гипса находится на ее территории.
Неограниченные запасы гипсосодержащего и кремнеземсодер кремнеземсодержащего техногенного сырья в РФ способствуют повышению рентабельности композитов на основе КГВ КГВ.
Эффективным методом повышения эксплуатационных характеристик строительных материалов на гипсовых вяжущих является решение проблемы их совмещения с портландцементом и кремнеземсодержащими добавками определенного генезиса в единую композицию и управление формированием устойчивых структур при их совместном твердении. Без решения этого важного вопроса невозможно создание долговечных материалов на их основе основе.
«