Введение к работе
Актуальность работы. Композиционные материалы на минеральной основе получают все большее развитие и находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Среди многообразия таких материалов следует выделить композиционные материалы на основе сульфата кальция (минерал ангидрит – CaSO4), которые обладают рядом положительных качеств – невысокие энергозатраты при получении, относительно низкая плотность, огнестойкость, хорошие теплоизоляционные свойства. Однако они имеют ряд недостатков, сдерживающих их развитие – невысокие физико-механические характеристики и малая долговечность, проявляющаяся в ползучести конструкций при их увлажнении.
Одним из наиболее эффективных направлений улучшения качества минеральных композиционных материалов является применение ультрадисперсных порошковых наполнителей. Свойства композиционных материалов на основе ангидрита в значительной степени определяются составом и состоянием структуры матрицы. Ультрадисперсные порошки различной природы позволяют изменять условия кристаллизации новообразований с интенсификацией процесса формирования структуры. Однако до сих пор недостаточно полно изучены особенности структурообразования и возможности управления структурой минеральных матриц на основе сульфата кальция при их модифицировании порошками повышенной дисперсности. Расширение представлений о физико-химических аспектах формирования структуры ангидритовых композиций позволит достичь повышения свойств материала и будет способствовать их дальнейшему развитию.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР на 2009-2010 гг. по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» в рамках проекта № 1542 «Научные основы структурообразования и исследование физико-технических свойств композиционного материала на основе ангидритового вяжущего, модифицированного углеродными наносистемами».
Цель работы – исследование процесса структурообразования в композиционных материалах на основе сульфата кальция, модифицированных ультрадисперсными и нанодисперсными порошками, и его влияния на физико-механические характеристики материалов на основе ангидрита.
Задачи исследования
-
Выбор ультрадисперсных модифицирующих порошков, способных интенсифицировать кристаллизацию новообразований, на основании данных о химическом и минералогическом составах.
-
Оптимизация ангидритовых композиций по дисперсности и содержанию модифицирующих ультра- и нанодисперсных порошков.
-
Исследование структуры и физико-механических свойств ангидритовых композиционных материалов, модифицированных ультра- и нанодисперсными порошками.
-
Разработка технологической схемы производства и оценка экономической эффективности модификации ультрадисперсными порошками композиционных материалов на основе сульфата кальция.
Научная новизна работы. Впервые показана возможность эффективного использования в ангидритовых материалах ультрадисперсных порошков со значительным содержанием окиси алюминия в виде алюмохромового катализатора, глиноземистой смеси и ставролита.
Установлено, что при использовании ультрадисперсных алюмооксидных порошков создаются лучшие условия для растворимости ангидритового связующего и кристаллизации двуводного гипса, что способствует увеличению количества новообразований, формирующих структуру ангидритовой матрицы, с последующим повышением физико-механических характеристик минеральных систем на основе ангидрита.
Выявлено, что ультра- и нанодисперсные порошки при их введении в ангидритовые композиции изменяют размер и морфологию кристаллов и способствуют формированию упорядоченной, более плотной и однородной мелкокристаллической структуры композиционного материала, что обеспечивает снижение дефектности структуры, пористости и увеличение площади межфазной поверхности с повышением физико-механических показателей материала.
Показано, что ультрадисперсные модифицирующие порошки принимают участие в формировании кристаллитных структур, на что указывает сдвиг частот, соответствующих ионам SO42-, который связан с изменением условий образования связей с участием гидроксильной группы.
Экспериментально установлено повышение прочности на 70-100 % и долговечности модифицированного композиционного материала на основе сульфата кальция при оптимальном содержании ультрадисперсных порошков 3-4 % от массы ангидрита, а при использовании нанодисперсного модификатора прирост прочности составляет 2,8 раза при содержании добавки 0,0024 %.
Практическая значимость. Предложены составы ангидритовых композиций, модифицированных введением ультрадисперсных добавок, включающих тонкодисперсные алюмохромовый катализатор, глиноземистую смесь и ставролит.
Разработаны составы ангидритовых композиций, модифицированных нанодисперсными добавками в виде углеродных многослойных нанотрубок. Использование сверхмалых количеств углеродных нанотрубок в качестве модификаторов способствует уплотнению структуры твердеющей ангидритовой матрицы со значительным повышением механических показателей композиционного материала на основе сульфата кальция.
Разработанные технологическая схема производства композиционного ангидритового материала и проект технических условий позволят выпускать материалы по энергосберегающей технологии.
Реализация результатов работы. Полученные результаты были использованы при проведении лабораторно-производственных испытаний с предприятием ООО СК «Партнер». Результаты проведенных исследований использовались при разработке проекта технических условий и при выполнении дипломных научно-исследовательских работ.
Достоверность научных выводов и результатов исследования. Обеспечивалась достаточным объемом экспериментальных данных, использованием современных методов изучения структуры материала: РФА, ДТА, РЭМ, высокоточного и достоверного ИК-спектрального метода. При выполнении экспериментальных исследований использовалось аттестованное и поверенное оборудование, соблюдались стандарты на методы исследований. Достоверность научных выводов основана на использовании основных теоретических положений в области структурообразования минеральных композиционных материалов при введении порошковых модификаторов.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на: 59-60 Республиканских научно-технических конференциях КГАСУ (Казань, 2008-2009 гг.); на международных научно-технических конференциях «Стройкомплекс» (Ижевск, 2008 и 2010 гг.); международной конференции «Техническая химия. От теории к практике» (Пермь, 2008); на 4-м международном PhD, DLA симпозиуме (Печ – 2009, Венгрия); на XIII международной научно-технической конференции «Архитектура. Строительство. Коммунальное хозяйство – 2009» (Уфа, 2009); на второй Всероссийской конференции с международным интернет-участием (Ижевск, 2009), на XVII международной конференции "Ibausil" по строительным материалам (Веймар – 2009, Германия), на XV академических чтениях РААСН «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Москва-Казань, 2010), на X международной конференции по новым строительным материалам, технологиям и конструкциям (Вильнюс, 2010).
Публикации. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, опубликованы в 18 печатных работах, из которых 3 опубликованы в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определенных ВАК РФ.
На защиту выносятся
-
Результаты исследований влияния ультра- и нанодисперсных порошков на физико-механические свойства композиционного материала на основе сульфата кальция.
-
Механизм воздействия ультрадисперсных добавок на основе оксида алюминия на структуру ангидритовых композиционных материалов.
-
Технологическая схема производства композиционного материала на основе ангидрита с добавлением ультрадисперсного ставролита.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованной литературы. Общий объем диссертационной работы 136 стр., который включает 49 рисунков, 14 таблиц и 2 приложения. Список литературы включает 176 наименований российских и зарубежных авторов.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., проф. Г.Н. Первушину за научные консультации и помощь при выполнении исследований, а также всему коллективу кафедры «Геотехника и строительные материалы» ИжГТУ за оказанное содействие при выполнении работы.
