Содержание к диссертации
Введение
1. Использование местного минерального и растительного сырья в производстве строительных материалов 14
1.1. Требования к материалам наружных стен для климатических условий Республики Таджикистан 14
1.2. Сырьевые минеральные материалы в составе материалов для наружных стен зданий 23
1.3. Сельскохозяйственные отходы и пути их рационального использования в производстве строительных материалов 29
1.4. Объекты исследования 37
2. Физико-химические аспекты структуро- образования и технологические особен ности изготовления материалов на основе минерального и растительного сырья 44
2.1. Специфические особенности целлюлозосодержащих заполнителей растительного происхождения и их влияние на структу-рообразование растительно-вяжущей композиций (РВК) 44
2.2. Анализ химического состава и химической агрессивности растительного заполнителя по отношению к минеральному сырью. 46
2.3. Физико-химические методы определения закономерности структурообразования РВК 50
2.3.1. Общие методы определения физико-химических свойств РВК. 51
2.3.2. Рентгенофазовый анализ компонентов РВК 51
2.4. Взаимосвязь химического свойства и фракционного состава растительного заполнителя при твердении РЦК 62
2.5. Адгезия заполнителя растительного происхождения 66
2.6. Технологическая схема выделения экстрактивных веществ стеблей хлопчатника 71
2.7. Технологические особенности изготовления арболитовых материалов и конструкций с использованием стеблей хлопчатника. 76
3. Физико-технические свойства материалов на основе минерального и растительного сырья 82
3.1. Экспериментальные исследования механических и пиротехнических свойств материалов рыхлой структуры на основе растительного сырья 82
3.2. Экспериментальные исследования механических и пиротехнических свойств материалов связанной структуры на основе РВК 90
3.2.1. Механические свойства материалов на основе растительно-гипсовой композиции (РГК) 92
3.2.2. Механические и гигротехнические свойства материалов на основе растительно-цементной композиции (РЦК) 95
3.3. Влияние влажности арболита на его прочность 101
3.4. Влияние водного раствора гидразина на прочность арболита при его термообработке 105
3.4.1. Расчетный метод определения теплоты парообразования водных растворов гидразина 111
3.4.2. Кинетика твердения материалов и конструкций из арболита при тепловой обработке с водным раствором гидразина 114
3.5. Коррозия стальной арматуры в ингибированных арболитовых конструкциях 116
3.6. Влияние щелочного экстракта стеблей хлопчатника на свойства цементсодержащих композиций 122
3.7. Влияние щелочного экстракта стеблей хлопчатника на стойкость цементного камня в агрессивных средах 129
4. Теплофизические свойства материалов на основе минерального и растительного сырья и его компонентов 132
4.1. Теплопроводность органически материалов рыхлой структуры в сухом состоянии 132
4.2. Влияние влажности и насыпной плотности на теплопроводность органических материалов рыхлой структуры 135
4.3. Теплопроводность органически связанных материалов волокнистого строения в сухом состоянии 137
4.4. Влияние влажности и плотности на теплопроводность органически связанных материалов волокнистого строения 147
4.5. Экспериментальные исследования теплотехнических свойств материалов связанной структуры на основе гуза-паи 150
4.6. Теплопроводность материалов на основе растительно-гипсовой композиции (РГК) 157
4.7. Теплопроводность материалов на основе растительно-цементной композиции (РЦК) 159
4.7.1. Теплопроводность арболита в сухом состоянии 159
4.7.2. Влияние влажности на теплопроводность арболита 160
4.8. Теплопроводность гипсо-грунто-гуза-паитового теплоизоляци онного материала (ГТГТМ) 163
4.8.1. Исследование теплопроводности ГТГТМ математико-статис-тическим методом планирования эксперимента 163
4.8.2. Результаты экспериментальных исследований теплопроводности ГГГТМ в зависимости от плотности и влажности 172
4.9. Теплофизические свойства алюминиево-кремниево-сурьмяных сплавов 177
4.9.1. Исследование теплопроводности алюминиево-кремниево-сурьмяных сплавов математико-статистическим методом планирования эксперимента 185
4.9.2. Расчет энергии активации алюминиево-медно-сурьмяных сплавов, легированным кремнием 188
4.10. Теплопроводность и термодинамические свойства водных растворов гидразина и фенилгидразина 190
5. Натурные исследования теплофизических свойств наружных стен зданий с тепло изоляцией на основе гуза-паи и эффективность их применения 203
5.1. Математическая модель температурного поля наружных стен при изменении внешних и внутренних факторах 203
5.2. Исследование теплофизических свойств наружных стеновых панелей в климатической камере 211
5.2.1. Исследование в условиях стационарной теплопередачи 218
5.2.2. Исследование влажностного режима испытуемых панелей 222
5.2.3. Исследование теплоинерционных свойств испытуемых панелей в условиях переменных тепловых воздействий 223
5.2.4. Экспериментальные исследования теплоинерционных свойств многослойных стен методом одностороннего охлаждения и на грева 232
5.3. Особенности конструирования многослойных панелей наружных стен с теплоизоляцией из ГГТТМ 239
5.3.1. Предложения по усовершенствованию методики теплотехнического расчет наружных стен зданий по летним условиям 239
5.3.2. Рекомендации по проектированию многослойных наружных стен малоэтажных жилых зданий с теплоизоляцией из ГТГТМ в климатических условиях Республики Таджикистана 246
5.4. Экономическая эффективность применения материалов на ос нове РВК в многослойных панелях 249
Основные результаты и выводы 254
- Сырьевые минеральные материалы в составе материалов для наружных стен зданий
- Анализ химического состава и химической агрессивности растительного заполнителя по отношению к минеральному сырью.
- Технологическая схема выделения экстрактивных веществ стеблей хлопчатника
- Влияние влажности арболита на его прочность
Введение к работе
Актуальность темы. Вопросы использования отходов производства, экономии материалов и совершенствования конструкций в строительстве становятся в настоящее время, при переходе ряда стран СНГ на рыночные отношения, особенно актуальными. Интерес к проблеме утилизации отходов в определенной степени вызван истощением отдельных видов сырьевых ресурсов и раскрытием возможностей получения продукции из вторичных ресурсов с меньшими издержками производства, но достаточно приемлемого качества.
В Республике Таджикистан доминирующим среди сельскохозяйственных отходов являются стебли хлопчатника (гуза-паи); их объем ежегодно составляет свыше 0,5 млн. тонн. Часть стеблей хлопчатника, как и другие сельскохозяйственные отходы, используется местными жителями в качестве топлива, а другая - не находит в настоящее время должного применения. Несмотря на сокращение посевных площадей сельскохозяйственных угодий, вопросы использования их отходов остаются открытыми.
Многочисленными исследованиями установлено, что одним из путей рационального использования сельскохозяйственных отходов является применение их в качестве теплоизоляционного и теплоизоляционно-конструкционного строительного материала; в большинстве случаев это касается малоэтажного и, особенно, сельского строительства. При этом в качестве связующих можно использовать минеральные и органические вяжущие вещества.
В проведенных ранее исследованиях по данной проблеме, в основном, решены задачи получения подобных материалов. Однако в настоящее время в необходимом объеме отсутствуют исследования физико-химических, физико-технических, в т.ч. и пиротехнических свойств сельскохозяйственных отходов, особенно стеблей хлопчатника и материалов на их основе, и крайне мало изучены эксплуатационно-технические свойства конструкций с исполь-
зованием этих материалов, что затрудняет прогнозирование долговременной сохранности и, соответственно, обеспечение теплового комфорта жилых домов в резкоконтинентальных климатических условиях Республики Таджикистан.
В связи с этим, в диссертационной работе сделана попытка рассмотреть с единых теоретических позиций и экспериментально подтвердить целесообразность получения и применения материалов на основе растительно-вяжущей композиции (РВК), исследуя физико-химические основы их струк-турообразования и физико-технические, в том числе и теплофизические свойства.
Диссертационная работа выполнена:
- в соответствии с «Концепцией развития топливно-энергетического
комплекса Республики Таджикистан на период 2003-2015 годы», утвержден
ной Постановлением Правительства Республики Таджикистан № 318 от 03
августа 2002 года;
- по плану координации научно-исследовательских работ в области ес
тественных наук Академии наук Республики Таджикистан.
Цель работы заключается в разработке технологических основ получения энерго- и ресурсосберегающих материалов и конструкций на основе РВК путем физико-химических исследований процессов их структурообра-зования и теплофизических свойств.
Поставленная цель исследований достигается решением следующих задач:
анализ особенностей климата Таджикистана и условий, вызывающих перегрев помещений в летний период и изучение конструкций стен на основе местных материалов, применяемых в малоэтажном строительстве;
определение физико-химических и физико-технических, в том числе теплофизических свойств растительного сырья - гуза-паи рыхлой структуры;
экспериментальные исследования физико-химических, физико-техни-
ческих, в т.ч. и теплофизических свойств строительных материалов на основе растительно-вяжущей композиции;
- проведение рентгенофазового анализа твердения композиционной
смеси на основе минерального и растительного сырья;
выяснение физико-химических механизмов структурообразования материалов на основе растительно-вяжущей композиции;
исследование коррозионной стойкости стальной арматуры в ингиби-рованных смесях на основе РВК;
экспериментальное исследование температурно-влажностного режима панелей наружных стен малоэтажных зданий с теплоизоляцией на основе РВК;
разработка методики экспериментальной оценки теплоинерционных свойств панелей наружных стен малоэтажных зданий с теплоизоляцией на основе РВК;
проведение технико-экономического анализа конструкций наружных стен с использованием теплоизоляции на основе РВК из гуза-паи.
Научная новизна. На основе исследований физико-химических свойств процессов структурообразования и теплофизических свойств РВК с использованием стеблей хлопчатника, впервые разработаны и получены энерго- и ресурсосберегающие строительные материалы:
выяснены механизмы структурообразования РВК и научно обоснована возможность получения РВК из гуза-паи и безобжиговых вяжущих на основе исследований физико-химических процессов гидратации РВК;
установлены основные закономерности процессов структурообразования материалов на основе минерального сырья и стеблей хлопчатника в зависимости от структурно-механических факторов с учетом особенностей их строения и химического состава;
получены аппроксимационные зависимости, определяющие коэффициент теплопроводности материалов на основе РВК в зависимости от влажности и структуры волокнистости;
предложен аналитический метод расчета теплофизических характеристик материалов на основе растительно-комбинированно-вяжущих композитов (РКВК) - стеблей хлопчатника (гуза-паи), гипса и грунта (гипсо-грунто-гуза-паитового теплоизоляционного материала - ГГГТМ), в зависимости от соотношения его компонентов;
разработана математическая модель передачи тепла при гармонически изменяющихся внешних и внутренних факторах, а также методика определения теплоинерционных свойств конструкции из материалов на основе РВК;
на основе комплекса экспериментально-теоретических исследований и технико-экономического анализа для условий Республики Таджикистан обоснована целесообразность замены однослойных керамзитобетонных панелей на панели с утеплителем из ГГГТМ.
Практическая ценность работы:
разработан технологический процесс получения теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных строительных материалов, позволяющий прогнозировать качество нового материала при различных изменениях его физико-химических и физико-технических свойств, а также технологических факторов производства;
получены экспериментальные значения теплопроводности органически рыхлых и органически связанных материалов на основе РВК, которые пополняют банк данных по теплопроводности материалов;
разработаны рекомендации по применению РКВК - ГГГТМ в наружных стенах малоэтажных зданий;
дополнен банк термодинамических величин химических соединений;
на основе комплекса экспериментально-теоретических исследований и технико-экономического анализа для условий Республики Таджикистан обоснована целесообразность замены однослойных керамзитобетонных па-нелей на панели с утеплителем из ГГГТМ; экономический эффект на 1 м глухой части панели составил 3,70 у.е.
Результаты исследований апробированы и внедрены:
в Центральном научно-исследовательском институте экспериментального проектирования жилища (ООО «ЦНИИЭП жилища», г.Москва), в нормативных документах, как справочные материалы и при составлении методики расчета температурно-влажностного режима материалов и конструкций;
в Академии архитектуры и строительства Республики Таджикистан - в инженерно-физических расчетах по проектированию ограждающих конструкций жилых зданий;
в ОАО «Монолитстрой» Республики Таджикистан - при производстве строительных теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов, а также конструкций на их основе для малоэтажного жилищного строительства;
в Таджикском техническом университете имени академика М.С.Осими; Министерства образования Республики Таджикистан при разработке комплексного модуля НИР по новым материалам, конструкциям и технологиям. ?
Некоторые результаты исследований, представленные в диссертации, нашли также отражение в научно-технических отчетах НИР, выполненных в 1987-1989 гг. в ЦНИИЭПжилища совместно с Таджикагропромстроем (№ 2 -4481) «Исследование теплофизических свойств ограждающих конструкций малоэтажных жилых зданий с применением теплоизоляции на основе стеблей хлопчатника» (№ гос. per. 01.88.0012801, 1989 г., г.Москва), а также в Таджикском политехническом институте (Таджикском техническом университете имени академика М.С.Осими) «Разработка и внедрение эффективных строительных материалов из местных видов сырья», части I и II (№ гос.рег.01.88.0019109,1988,1989 гг., г.Душанбе).
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты экспериментальных исследований физико-химических и
физико-технических свойств гуза-паи рыхлой структуры и других сельско
хозяйственных отходов, а также строительных материалов на их основе;
результаты исследования ингибирующих свойств арболитовой смеси и ее влияния на коррозийную стойкость стальной арматуры;
результаты рентгенофазового анализа процесса кристаллизации арболита в воде и в присутствии водорастворимых веществ в различные сроки гидратации и твердения;
технология получения арболита на основе гуза-паи;
методы определения теплоинерционных свойств конструкций на основе РВК при перегреве и охлаждении, а также усовершенствованный метод расчета их теплоустойчивости;
методика расчета рационального состава материалов на основе РВК, в частности ГГГТМ по соотношениям составляющих компонентов;
предложения по применению ГГГТМ в наружных стенах малоэтажных жилых зданий;
результаты экспериментальных исследований теплозащитных свойств и влажностного режима панелей наружных стен с теплоизоляцией из ГГТТМ в климатической камере;
технико-экономическое обоснование применения панелей с использованием теплоизоляции из ГГГТМ для наружных стен малоэтажных жилых зданий (для условий Республики Таджикистан).
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной конференции «Экология и энергоснабжение» (Самарканд 1993 г.); Международной конференции «Научно-технические нововведения и вопросы охраны окружающей среды» (Душанбе-Худжанд, 1996 г.); Ш Международной теплофизической школе (Москва - Тамбов, 1998 г.); 15 Международной конференции по теплофизическим измерениям (Германия, Бонн, 1999 г.); Международной научной конференции «Горные регионы Центральной Азии. Проблемы устойчивого развития» (Душанбе, 1999 г.); Международной конференции «Координационные соединения и аспекты их
применения» (Душанбе, 1999 г.); 6-ой Международной конференции по инженерным композитам (США, Орландо, Флорида, 1999 г.); Международной конференции по композиционным материалам (Пакистан, 1999 г.); 11-ой Азиатской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Япония, 2000 г.); 6-ой Международной конференции по композитам (Швеция, 2000 г.); 7-ой Международной конференции по инженерным композитам (США, Колорадо, Денвер, 2000 г.); IV Международной теплофизической школе «Те-плофизические измерения в начале XXI века» (Тамбов, 2001 г.); Международной конференции по физико-химическим свойствам материалов (Австралия, 2001 г.); 26-ой Международной конференции "Теплопроводности материалов" и 14-ом Международном симпозиуме "Коэффициент теплоотдачи" (США, Кембридж, Массачусетс, 2001г.); Международной конференции по метрологии (ТЕМРМЕКО) (Германия, Берлин, 2001 г.); Международной конференции по карбону (США, 2001 г.); Международной конференции по тепломассообмену (Канада, Торонто, 2001 г.); 7-ой Международной Азиатской конференции по изучению теплофизических свойств материалов (Китай, Хайфей, 2004 г.); Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2004 г.); 27-ой Международной конференции "Теплопроводности материалов" и 15-ом Международном симпозиуме "Коэффициент теплоотдачи" (США, Оак Ридж, 2004 г.); Второй Международной научно-практической конференции "Современные энергосберегающие тепловые технологии (СЭТТ-2005)" (Москва, 2005 г.); Международной конференции, посвященной 70-летию со дня рождения академика Камилова И.К. (Махачкала, 2005 г.); I-ой Международной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования в XXI веке» (Душанбе, 2005 г.); 17-ой Международной конференции по теплофизическим свойствам веществ (Словакия, Братислава, 2005 г.); 7-ой Международной конференции по изучению свойств бетона (Данди, 2005 г.); XI Российской конференции по теплофизическим
свойствам веществ (Санкт-Петербург, 2005 г.); 16-ом Международном Симпозиуме по изучению теплофизических свойств веществ (NIST) (США, Боулдер, 2006 г.); Международной научно-практической конференции «Современная химическая наука и ее практические аспекты» (Душанбе, АН РТ, 2006 г.); Республиканских научно-практических конференциях (Душанбе, 1985, 1987, 1989, 1997, 1998, 2000, 2002 гг.; Фрунзе, 1989 г.; Алма-Ата, 1989 г.); Конференциях молодых ученых и специалистов (Душанбе, 1988, 1990, 1999, 2000 гг.); Конференциях профессорско-преподавательского состава Таджикского технического университета им. акад. М.С.Осими (Душанбе, 1991-1993 гг.) и Технологического университета Таджикистана (Душанбе, 1994-2002 гг.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 56 печатных работ, в том числе 3 монографии и 1 авторское свидетельство на изобретение. Материалы диссертации отражены в 5 научно-технических отчетах, выполненных под руководством и при участии автора.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 220 наименований на русском и иностранных языках и 14 приложений. Общий объем диссертационной работы состоит из 318 страниц компьютерного набора. Основной текст диссертации изложен на 278 страницах, включая 49 рисунков и 57 таблиц.
Сырьевые минеральные материалы в составе материалов для наружных стен зданий
Минерально-сырьевой потенциал является важнейшим фактором размещения современного производства, во многом определяющим территориальную организацию производительных сил, масштабы концентрации производства и характер его специализации. Поэтому вопросы эффективности строительных материалов имеют неоспоримую актуальность. Однако нужно отметить и тот факт, что использование этого потенциала приводит к истощению природных ресурсов, что негативно влияет и на экологическое состояние окружающей среды. Развитие промышленности строительных материалов тесно связано с вовлечением в народнохозяйственный оборот наиболее эффективных природных ресурсов и с экономическим освоением природных богатств, что требует, прежде всего, учета и правильной оценки природных ресурсов, в частности минеральных. Проблема рационального использования минерально-сырьевых ресурсов относится к числу комплексных проблем экономического и социального характера. Поэтому разработка правильной методики количественного учета и рациональное использование минерально-сырьевых ресурсов позволит определить действительную величину эффекта, который можно получить от оптимизации их использования. При определении потребности в стройматериалах за основу были взяты приведенные в таблицах объёмы капитальных вложений на строительно-монтажные работы по всем отраслям народного хозяйства. В расчётах по определению потребности были применены нормы расхода материалов на 1 млн. руб. (в ценах 1984 года) строительно-монтажных работ, предлагаемые НИИЭС и скорректированные нами для местных условий с учётом направления технического прогресса и перспективы. При расчётах потребности в строительных материалах также учитывалось изменение в их структуре в пользу более прогрессивных материалов. В конечном итоге на основе сопоставления вычисленной нами потребности в строительных материалах и возможного производства их на базе использования разведанных ресурсов определена степень обеспеченности минеральным сырьём предприятий промышленности строительных материалов и эффективность его использования для каждой зоны строительства на перспективу. Таджикистан располагает крупными запасами различных видов сырья для производства строительных материалов.
В настоящее время учтено 123 месторождения строительных материалов, из них 119 - с утвержденными запасами [97, С.28]. Наибольшее распространение имеют месторождения сырья для производства цемента, извести, гипса, стеновых материалов, легких заполнителей, а также нерудных строительных материалов. Относительно реже встречается сырье для производства теплоизоляционных материалов, керамических плиток, силикатных изделий и др. Отличительной особенностью собственной базы сельского строительства от других баз производства является значительное использование местных строительных материалов. Самыми распространенными строительными материалами для сельского строительства являются глины и суглинки, которые в разных районах республики имеют различные гранулометрические составы. Ниже приводится гранулометрический состав лёссовидного суглинка с месторождения г. Душанбе (табл. 1.2.1) [18]. Глины и суглинки можно использовать как сырье для производства пористых заполнителей. Лабораторными керамико-технологическими испыта ниями установлено, что для производства керамзита пригодно 11 месторождений глин, для аглопорита - 7 месторождений суглинков [97]. Оставшаяся часть, т.е. 29 месторождений глин и 14 месторождений суглинков, служит сырьем для производства кирпича-сырца, глинобита, глиносамана и других традиционных материалов. Современное строительство, представляющее сложный комплексно-механизированный процесс монтажа зданий и сооружений, предъявляет к качеству строительных материалов очень высокие требования. Наращивание новых производственных мощностей будет осуществляться преимущественно за счёт реконструкции и расширения действующих предприятий. Многие отрасли промышленности стройматериалов республики располагают значительными внутренними резервами и возможностью повышения эффективности производства за счёт улучшения использования имеющегося оборудования. Это позволит увеличить выпуск продукции и снизить её себестоимость. Большинство предприятий стройматериалов и конструкций размещены в основном в Гиссарской и Северной зонах, где сосредоточено сельское строительство. Характерной особенностью размещения промышленности стройматериалов является высокая концентрация ее предприятий в центральной части республики. Это снижает эффективность строительства за счёт увеличения транспортных расходов и вызывает перебои в снабжении материалами отдельных районов строительства. В перспективе повышение качества цемента имеет большое значение, так как увеличение активности цемента на одну марку эквивалентно росту его производства примерно на 15-20% [97]. На улучшение состава и ассорти мента продукции особое влияние оказывает правильный выбор сырьевой базы цементного производства. Сырьевая база является важным фактором при определении размещения цементной промышленности, так как для производства 1 тонны клинкера расходуется около 1,6 тонны основного природного сырья. Поэтому цементные заводы обычно размещаются у источников сырья, что способствует повышению эффективности производства цемента.
Таджикистан обладает достаточно крупными запасами цементного сырья, отвечающего названным выше требованиям, и среди среднеазиатских республик занимает одно из первых мест по этому показателю (см. табл. П.2.3). На территории республики для производства цемента разведано три месторождения. Наиболее крупным из них является Харангонское, расположенное в Гиссарской зоне строительства (с запасами по категории A+B+Ci -157,0 млн. т). Харангонское месторождение имеет не только крупные запасы и благоприятные горно-геологические условия разработки, но и весьма хороший физико-химический состав (СаО - 51,49% , MgO - 1,66% , Fe203 -0,24% , Si02 - 0,59% , SO3 - 0,14% и т.д.) что, безусловно, отвечает необходимым требованиям, предъявляемым промышленностью к качеству сырья. На его базе и на базе Варзобского месторождения суглинков (с запасами категории A+B+Ci - 26,3 млн, т) сейчас работает Душанбинский цемзавод, обеспеченный запасами карбонатного сырья примерно еще на 100 лет. Высокая обеспеченность предприятия сырьевыми ресурсами позволяет увеличить мощность цемзавода в 2-3 раза. В Вахшской зоне для цементного производства разведаны Курган-Тюбинское и Табакчинское месторождения известняков, а также Курган-Тюбинское месторождение суглинков. Эти месторождения расположены в непосредственной близости друг от друг, в связи с чем они могли бы рассматриваться как единая сырьевая база цементного завода типовой мощностью 1,2 млн. т. в год. В Вахшской и Кулябской зонах известняки распространены широко, поэтому разведку их целесообразно производить в районах концентрации строительства или расположенных недалеко от них. Таким требованиям отвечают месторождения Шаартузского района: участки Ходжа-Казиан или Туюн-Тау. Эти участки были исследованы ещё в 1967-1968 гг. для получения кальцинированной соды и карбида кальция. С райцентром, г. Шаартузом, участки связаны автодорогой протяженностью 11 км (участок Ходжа-Казиан) и 16 км (Туюн-Тау). Особенно большой интерес представляет участок Ходжа-Казиан. По данным института НИОХИМ (г.Харьков), известняки имеют хороший состав - содержание MgO колеблется в пределах 0,81- 1,17%, что вполне удовлетворяет требованиям промышленности для производства цемента. Горно-технические условия обработки известняка на участке Ходжа-Казиан весьма благоприятные, объём вскрышных пород не превышает 2 м.
Анализ химического состава и химической агрессивности растительного заполнителя по отношению к минеральному сырью.
Для гуза-паи характерна, в основном, более равномерная складчатая структура, что подтверждает сходство гуза-паи и древесины по строению и химическому составу. Это дает возможность использования основных характеристик древесины и для гуза-паи рыхлой структуры [28]. Тем не менее, хлопчатник, как и всякая растительная ткань, представляет собой сложный комплекс резко отличающихся по свойствам составных частей, которые предопределяют во многом его структурообразующие характеристики [12,173]. Гуза-пая состоит из целлюлозы (примерно 44% всей массы гуза-паи), пектиновых веществ, лигнина, гемицеллюлозы и небольшого количества экстрактивных веществ - танинов (дубильных и красящих веществ) и жиров (см. табл. 2.2.1). Целлюлоза и лигнин, составляющие основную массу клетчатки, являются достаточно стойкими веществами и вредного влияния на процесс твердения клинкерных цементов не оказывают. Пектины и гемицеллюлозная часть гуза-паи представляют собой сложный комплекс олиго- и полисахаридов, способных в щелочной среде гидролизоваться и переходить в водорастворимые сахара. Простейшие водорастворимые сахара (сахароза, глюкоза, фруктоза) содержатся в гуза-пае в небольшом количестве (0,1 ...0,5% от ее массы). Благодаря малому размеру молекул, водорастворимые сахара легко вымываются из нее раствором «минерализатора» и попадают в цементное тесто. Водорастворимые сахара - сильнейшие «цементные яды». Экстрактивные вещества - танины имеют большие размеры молекул. Они вымываются из древесины только горячей водой или горячим раствором «минерализатора» и хорошо осаждаются. Вследствие этого танины не оказывают существенного влияния на процесс твердения цемента. Смолистые вещества, содержащиеся в гуза-пае, также не оказывают влияния на процесс твердения цемента. Смоляные кислоты, выделяющиеся из гуза-паи, при взаимодействии со щелочами, которые находятся в цементном тесте, образуют мыльные растворы. При значительном содержании смолистых веществ в гуза-пае прочность РЦК может несколько снизиться вследствие уменьшения смачиваемости частиц гуза-паи и ухудшения сцепления с цементным тестом (камнем). Проведенные исследования показали, что гуза-пая содержит легкогидро-лизуемые и экстрактивные вещества - «цементные яды», вредные для цемента, которые замедляют набор прочности испытуемых образцов. Поэтому наши усилия были направлены на нейтрализацию такого вредного влияния. Исследования показали, что наиболее вредное воздействие оказывают легкорастворимые простейшие сахара: сахароза, глюкоза, фруктоза и часть гемицеллюлозы, способной в определенных условиях гидролизироваться до Сахаров, и в меньшей степени опасны пектиновые полисахариды, танины и смолы.
Щелочная среда цементного теста способствует выделению «цементных ядов», количество которых изменяется в значительных пределах в зависимости от сорта гуза-паи, условий и сроков ее хранения. Было выявлено, что воздействие водорастворимых веществ гуза-паи на твердеющий цемент проявляется в стабилизирующем эффекте аналогично действию поверхностно-активных веществ (ПАВ). «Цементные яды», состоящие в основном из углеводных групп НСОН, осаждаясь на поверхности частичек минералов цемента 3CaOSi02 (трехкальциевый силикат) и ЗСаОА120з (трехкаль-циевый алюминат), образуют тончайшие оболочки, которые изолируют частицы цемента от воды и замедляют ход процесса гидратации цемента. Содержание полисахаридов в различных видах растительного сырья значительно отличается, наименьшее их количество, как видно из табл. 2.2.2, содержится в древесине ели (17,3%), наибольшее - в стеблях хлопчатника (в сечке гуза-паи) и виноградной лозе (соответственно 26,4 и 27,1%) [100]. Для уменьшения отрицательного влияния водорастворимых экстрактивных и легкогидролизуемых веществ на прочность РЦК были предложены различные способы и технологические приемы, сущность которых заключалась в частичном удалении этих веществ из растительных или безвредных для цемента соединений, в ускорении твердения портландцемента (т.е. в сокращении време- ни воздействия Сахаров на процесс твердения). В большинстве своем предложенные способы «минерализации» древесного заполнителя требуют многоступенчатой обработки заполнителя различными химикатами с последующим кипячением или промывкой, выдержки в силосах для стабилизации его свойств или сушки и др. Из многочисленных добавок, опробованных в отечественной и зарубежной практике, приняты такие, при которых «минерализаторами» заполнителя растительного происхождения служат хлористый кальций и жидкое стекло (исключение составляет технология, используемая зарубежными фирмами «Ве-локс» и «Дюризол» [101]). Однако применяемые способы «минерализации» растительного заполнителя, хотя и повышают скорость нарастания прочности в начальный период, все же, как видно из табл. 2.2.3, не позволяют получать достаточно прочный материал. Проведенные нами исследования показали, что при удалении легкогидро-лизуемых веществ из заполнителя на основе гуза-паи прочность арболита удается увеличить на 7...10%. Следовательно, наличие таких веществ в заполнителе можно рассматривать лишь как один из его недостатков. Это означает, что кроме химической агрессивности (содержание экстрактивных и легкогидролизуе-мых веществ), заполнитель на основе гуза-паи обладает еще и другими специфическими свойствами, которые отрицательно воздействуют на структурную прочность РЦК и поэтому должны учитываться в технологии их производства. 2.3. Физико-химические методы определения закономерности структурообразования РВК Строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составом.
Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, механических и других технических характеристиках. Химический состав неорганических веществ (цемента, извести и др.) и каменных материалов удобно выражать количеством содержащихся в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химически связаны между собой и образуют минералы, которые и определяют многие свойства материала. Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или в каменном материале. Например, в портландцементе содержание трехкальциевого силиката (ЗСаОБЮг) составляет 45-60%, причем при большем его количестве ускоряется твердение, повышается прочность цементного камня [162]. Фазовый состав материала и фазовый переход воды, находящиеся в его порах, оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации. В материале выделяют твердые вещества, образующие стенки пор, т.е. «каркас» материала, и поры, заполненные воздухом и водой. Если вода, являющаяся компонентом этой системы, замерзает, то образовавшийся в порах лед изменяет механические и теплофизические свойства материала. Увеличение же объема замерзающей в порах воды вызывает внутренние напряжения, способные разрушить материал при повторных циклах замораживания и оттаивания. 2.3.1. Общие методы определения физико-химических свойств РВК Свойства материалов в значительной степени определяются его составом и поровой структурой. Поэтому для получения материалов с заданными свойствами важно иметь четкое представление о процессах формирования структуры и возникающих новообразований, что изучается на макро- и молекулярно-ионном уровне. Наиболее распространенными физико-химическими методами анализа являются: петрографический метод; электронная микроскопия; рентгенографический анализ; дифференциально-термический анализ (ДТА) и спектральный анализ. 2.3.2. Рентгенофазовый анализ компонентов РВК В исследованиях, в основном использовали цементы, выпускаемые на Душанбинском заводе, но при изучении виляния добавок были использованы и другие цементы. В табл. 2,3,1 даны составы и активность цементов, широко применяемых в данных исследованиях. Чтобы показать эффективность влияния добовок-модификаторов на свойства бетонов, изучение коррозионностоикости цементного камня в основном проведено с использованием цементов М400.
Технологическая схема выделения экстрактивных веществ стеблей хлопчатника
До настоящего времени практически отсутствует промышленная переработка стеблей хлопчатника для получения строительных материалов. В то же время, отходы хлопчатника могут стать ценным сырьем в качестве добавок для цементсодержащих композиций. В работах [137, 173] из хлопковых листьев и шрота хлопчатника, образующегося при формопрессовом экстракционном способе производства хлопкового масла, получены добавки для повышения прочности бетона. С целью определения целесообразности использования гуза-паи для получения добавок проводили анализы составов разных морфологических частей стеблей хлопчатника. Стебель хлопчатника морфологически состоит из коры, луба, древесины и сердцевины. Древесная часть стебля составляет 63...65%, кора и луб - 28,6...29,7%, коробочки - 3...5% и сердцевина - около 3% от общей массы. Химический состав различных морфологических частей стебля дается по содержанию компонентов. В табл. 2.6.1 приведены результаты проведенного нами анализа. Сравнение химического состава стеблей хлопчатника с составом древесного сырья, в частности, отходов лесопиления, показывает, что содержание целлюлозы в стеблях хлопчатника несколько ниже, чем в обычной древесине, однако общее содержание углеводов примерно одинаково. Это обусловлено высоким содержанием гемицеллюлозы, в частности, пентозанов, и пониженным содержанием лигнина в стеблях хлопчатника. Содержание веществ, экстрагируемых раствором щелочи, в стеблях хлопчатника больше, чем в древесине. При таком экстрагировании в раствор переходят крахмал, пектины, неорганические соли, некоторые полисахариды, циклические спир- ты, красители, танины, а также часть гемицеллюлозы, урановые кислоты и низкомолекулярные фракции целлюлозы. Отличие экстрактивных компонентов стеблей хлопчатника и древесины, прежде всего количественное. Так, в стеблях хлопчатника значительно больше экстрагируемых веществ, чем у лиственных пород и несколько больше, чем у хвойных пород древесины. Качественное отличие заключается в том, что гемицеллюлозы стеблей хлопчатника состоят в основном из пентозанов (ксилан, арабан), в то время как гемицеллюлозы хвойной древесины являются очень сложными смесями полисахаридов, содержащими кроме ксиланов глюкоманнаны и галактоман-наны.
Сравнительно большое содержание экстрагируемых веществ в составе стеблей хлопчатника позволило автору, в развитие способа, предложенного д.т.н., проф. Шарифовым А.Ш., разработать способ получения добавки для цемента [173] путем обработки стеблей раствором щелочи NaOH. Добавку получают следующим образом: к измельченным до фракции 5 мм стеблям хлопчатника добавляют 0,5-0,1% раствор щелочи при массовом отношении стеблей хлопчатника и окиси натрия 1:20,2-0,5, полученную смесь кипятят в течение 40...60 мин и после охлаждения смеси раствор отделяют от волокнистой массы фильтрованием. После определения концентрации раствора его применяют в качестве добавки в составе цементсодержащих смесей. в дробилке I до фракции меньше 5 мм и подаются в реактор 3, куда через дозатор 2 поступает раствор щелочи NaOH. В реакторе 3 при температуре 100-105С происходит обработка стеблей для экстрагирования компонентов их состава раствором NaOH. Раствор экстрактивных веществ стеблей хлопчатники после охлаждения в холодильнике 4 собирается в емкость 5. После отделения экстрагируемых веществ волокнистая масса стеблей хлопчатника собирается в емкость 6 для дальнейшего использования в качестве армирующего компонента цементсодержащих смесей (в данной работе не рассматривается). Эффективность предложенного способа заключается не только в полноте экстрагирования растворимых веществ стеблей, но и в простоте исполнения по сравнению с другими методами получения добавки из отходов хлопчатника. Например, добавка по способу [90] получена экстрагированием хлопковых листьев раствором серной кислоты с последующей нейтрализацией щелочью цементного клинкера, чем силикатных. Увеличение скорости гидратации минералов С3А (ЗСаО-А12Оз) и C4AF (4СаО-АІ20з-Ре2Оз) ускоряет схватывание цементного теста - это проявляется в большей степени для обычных цементов, чем для сульфатостойкого, что было отмечено выше. Ускорение гидратации алюминатсодержащих фаз цемента инициирует реакции гидратации и твердения других минералов. Ввиду большего содержания алюминатсодержащих минералов в составе обычных цементов, чем в сульфатостойком цементе, их твердение в присутствии щелочного экстракта стеблей хлопчатника в ранние сроки возрастает, поэтому прочность бетона на обычных цементах с добавкой в эти сроки существенно увеличивается по сравнению со значением прочности состава без добавки. Из рис. 2.6.2 следует, что максимальная прочность достигается при содержании ЩЭСХ 0,05% от смеси, а прочность при нормальных условиях выше чем при естественных. Деформативные параметры бетонов с добавкой щелочного экстракта стеблей хлопчатника при расходах добавки 0,03...0,25% на 5...8% превосходят значения аналогичных параметров бетона без добавки в соответствующие возрасты. При расходах добавки 0,3...0,5% эти бетоны практически имеют такие же параметры деформативных качеств, что и бетон без добавки. При испытании призменных образцов состава 1:1,51:2,57 при В/Ц=0,4 и Ц=475 кг/м , изготовленных из среднеалюминатного цемента без добавки, было установлено, что через 7 суток нормального твердения они имели модуль упругости Е = 3,25-105 МПа и коэффициент призменной прочности К = 0,79, через 360 сут. значения этих параметров стабилизируется на уровне Е = 4,0-105 МПа и Кп = 0,83.
Для образцов с добавкой щелочного экстракта в количествах 0,03...0,25 % в возрасте 7 сут. модуль упругости изменяется в пре- делах от 3,4-105 МПа до 3,55-105 МПа, а коэффициент призменной прочности возрастает до 0,77...0,79. В возрасте 360 сут. параметры деформативных качеств бетона с добавкой возрастают до (4,25...4,4)-105 МПа и Кп= 0,87...0,90. Соединение двух материалов, характеризуется различными структурно-механическими свойствами. Качество составов с добавками стабилизируется в течение 90...120 сут. твердения, т.е. значительно быстрее, чем для состава без добавки. Улучшение деформативных параметров бетонов с добавками щелочного экстракта стеблей хлопчатника происходит благодаря упрочняющему действию добавки на твердение цементного камня. Щелочной экстракт стеблей хлопчатника снижает водопотребность цементов и значительно ускоряет скорость процессов структурообразования и гидратации, и тем самым повышает прочность цементсодержащих композиций. Водоудерживающая способность добавки способствует возрастанию полноты гидратации цемента, и зрелая структура цементного камня, содержащего щелочной экстракт, формируется в более раннем возрасте, чем для состава без добавки. 2.7. Технологические особенности изготовления арболитовых материалов и конструкций с использованием стеблей хлопчатника Известно, что конструкции, материалы и изделия из бетона на органическом заполнителе (арболитовые) применяются в качестве несущих стен в зданиях до двух этажей и навесных панелей многоэтажных зданий. Таким заполнителем для нашего случая являются стебли хлопчатника, которые могут иметь свои особенности при изготовлении строительных конструкций, изделий и материалов. На основании результатов исследований разработана технологическая схема изготовления арболитовых изделий (рис. 2.7.1). Со склада стебли хлопчатника ленточным транспортером 1 подаются на измельчение в молотковую дробилку 2, затем в наклонное вибросито 3 на рассев. Рабочая фрак- ция стеблей через бункер с питателем 4 (приемник) поступает в ковшовую мешалку 5, куда одновременно из бака 6 подается вода. Вымоченные в течение 15 мин. стебли погружаются на конвейер с сетчатой лентой 7 (транспортер), через которую стекает вода. Рабочая фракция дробленых стеблей на вымачивание может быть подана в сетчатых контейнерах в ванну с водой, а затем тельфером транспортирована в бункер 9. В этом случае из технологической линии исключаются агрегаты 5,7 и 8.
Влияние влажности арболита на его прочность
Влияние влажности арболита на его прочность осуществлялось нами при испытании образцов, влажность которых изменялась от 65 до 0%. Параллельно испытывались образцы, отличающиеся составом смеси: видом добавки или способом обработки заполнителя. Проведенное исследование включало предположение о том, что снижение влажности арболита (состоящего 80...85% по объему из растительного заполнителя) от 27...30% до 0%, т.е. ниже точки насыщения растительных волокон из гуза-паи, должно отрицательно сказываться на целостности его структуры вследствие набухания, усушки и коробления за счет изменения количества гигроскопической влаги. Наши эксперименты подтвердили сделанное рядом исследователей предположение [91, 101], что прочность арболита в процессе его твердения и сушки нарастает не монотонно (табл. 3.3.1), как у большинства бетонов на минераловатных заполнителях. Наибольшие структурные изменения под воздействием влажностных деформаций наблюдаются при снижении общей влажности арболита ниже точки насыщения волокна растительного заполнителя (27...30%). При этом максимальная прочность арболита разных составов отмечается при влажности 15-17%, дальнейшее снижение влажности ведет к уменьшению прочности, что может быть объяснено нарушением связей в контактных зонах, т.е. деструкцией (нарушением) контактов между отдельными частицами заполнителя. Можно предположить, что напряженное состояние, создающееся в структуре композита типа арболит, в большой мере зависит от напряжений, возникающих в результате усушки и набухания растительного заполнителя, а не цементного камня. Объемная усушка растительного заполнителя составляет 15-20%, тогда как объемная усадка цементного камня из портландце-ментного клинкера - всего лишь 0,9...1,2% [10,17, 101]. Значительные уменьшения объемов частиц растительного заполнителя в результате их усушки приводят не только к уменьшению размеров частиц, но и к изменению их формы (короблению), что может вызвать напряжения в структуре твердеющего арболита. Кроме неравномерного распределения вяжущего и неравномерных по толщине клеевых прослоек, возможно появление отрывающих усилий (силы, направленные перпендикулярно прослойкам). Иными словами, может происходить частичный или полный отрыв частиц растительного заполнителя от цементного камня.
Таким образом, можно предполагать, что в процессе твердения и сушки в структуре арболита, наряду с конструктивными, происходят деструктивные процессы, вызываемые в основном значительными самопроизвольными влажностными деформациями растительного заполнителя. Минимальная прочность i?C5K(W) наблюдается у арболита, насыщенного водой (в течение 48 ч) до влажности 60...75%. Это может быть объяснено известным положением о размягчении материала под воздействием влаги. Коэффициент размягчения (табл. 3.3.2) для разных составов арболита находится в пределах от 0,55 (арболит без добавок) до 0,67 (арболит с 2,2% добавками СаСЬ), т.е. потери прочности при водонасыщении в течение 48 часов соответственно составляют от 45 до 33%. При анализе данных табл. 3.3.1 и 3.3.2 отмечена идентичность кинетики изменения прочности различных составов арболита при разной влажности. Экстремальным значениям прочности соответствует влажность 15-20%. Наибольшие потери прочности при высушивании арболитовых образцов до абсолютно сухого состояния /?Сж(ах) по сравнению с экстремальными значениями 16% - влажности имели контрольные образцы без обработки растительного заполнителя и с добавками СаСЬ: потеря составила 33 и 24% соответственно. Для арболита критерием структурной прочности может служить не только коэффициент размягчения - Кр, но и коэффициент сохранения прочности при полной усадке (высушивании до абсолютно-сухого состояния), который для арболита разных составов изменяется в пределах от KRy=0,67 для арболита без добавок до KRy-0,76 для арболита с добавкой СаСЬ (табл. 3.3.2): где і?сж(аХ)-предел прочности при сжатии арболита в сухом состоянии, МПа; Ясж(іб)-предел прочности при сжатии арболита при влажности 16%) (усредненная влажность, которой соответствует максимальная прочность), МПа. Подтверждением причины снижения прочности арболита вследствие деструкционных процессов при снижении его влажности менее 15...17%) явились результаты исследований, которые показали, что в арболите на гуза-пае, высушенном до абсолютно сухого состояния, а затем увлажненного до влажности, соответствующей экстремальному значению, первоначальная прочность не восстанавливается (табл. 3.3.3). Это положение было подтверждено и другими исследователями для арболита на древесном заполнителе [20]. Поэтому можно предполагать, что снижение прочности арболита при высушивании (ниже W= 15...18%)) вызвано деструктивными процессами, протекающими на границе раздела фаз «цементный камень - растительный заполнитель».
Учитывая то, что отпускная влажность арболита по ГОСТ 19222-84 [32] составляет до 25% и влажность образцов при определении марочной прочности не регламентируется, а экстремальные значения прочности получают при влажности, равной 15... 17%, для повышения объективности оценки прочностной характеристики и сопоставимости результатов при подборе со- тавов смеси (для влажности образцов от 5 до 25%) следует определять максимальную прочность (приведенную прочность) і?сж(іб)По формуле [Н ]: где і?сж(№), МПа - предел прочности при сжатии при влажности W,%; а - поправочный коэффициент на влажность, полученный эмпирическим путем (ai = 0,03 - для составов смеси без добавок; аг = 0,02 - для составов, рекомендуемых СН 549-82; поправочный коэффициент принимается со знаком (+) при W 16 и (-) при W 16); W - влажность испытуемого образца, %; 16 -усредненная влажность, соответствующая максимальной прочности арболита. Таким образом, возможность снижения прочности арболита вследствие природы самого целлюлозосодержащего растительного заполнителя является процессом необратимым и проявляется как следствие подверженности растительного заполнителя значительным объемным влажностным деформациям и развития давления набухания. 3.4. Влияние водного раствора гидразина на прочность арболита при его термообработке Существуют различные методы упрочнения арболитовой смеси. Одним из этих методов является использование различных паровоздушных смесей при их термообработке. Нами в этом качестве был выбран водный раствор гидразина. Гидразин (диамид) H2N-NH2, дымящий на воздухе, жидкий; растворяется в воде, низших спиртах, аминах, не растворяется в углеводородах. С водой образует азеотропную смесь (tKIin = 120, ГС, 71,5% Г.). Гидразин в водных растворах легко окисляется. Сильный восстановитель, например, выделяет благородные металлы из растворов их солей, с НЫОг образует HN3. В техническом гидразине в качестве загрязняющих примесей содержатся вода, дву- окись углерода, гексан, толуол, гидразин - угольная кислота, 1,2 - диметил-гидразин и анилин. Водные растворы гидразина обладают сильными основными свойства ми. Образует моногидрат и соли - хлориды гидразония (N2H5)C1 (tm = 92С) и гидразиния (М2Нб)СЬ (t = 198С), сульфат гидразиния (N2H6)S04 (іпл = 254С). Водные растворы гидразина получают при взаимодействии NaGH, СЬ и NH3 в воде, окислением NH3 или мочевины гипохлоритом Na. Безводный гидразин - обезвоживанием моногидрата гидразина щелочами или обработкой сульфата гидразин жидким NH3. Термическое разложение гидразина происходит при температуре 250-310С. При этом механизмы термического разложения и разложения со взрывом включают реакции с участием свободных радикалов [127,182]. NH3 2NH2 - N2 + 2H2; 2NH2 + N2H4 - 2N2 + 4H2 Фотохимическое (X 2400 А) разложение гидразина описывается уравнением: N2H4 — N2 + 2Н2. В этом случае образуется лишь небольшое количество аммиака.
