Введение к работе
Актуальность работы. Тенденции развития промышленного производства в целом и, в особенности, строительной индустрии предусматривают широкое использование вторичного сырья. Это диктуется как экономическими, |гак и экологическими требованиями.
Важной и нерешенной в полной мере до настоящего времени является задача производства материалов, обеспечивающих снижение энергоемкости, трудоемкости строительства, стоимости зданий и сооружений. По-прежнему, в технологическом производстве бетонных и железобетонных конструкций ос-ювным вяжущим остается клинкерный цемент, а силикатных стеновых материалов — известь, технологические процессы получения которых достаточно дороги и энергоемки, требуют больших капитальных затрат, в связи с чем важ-шй задачей остается поиск более дешевых строительных материалов и энерго-:берегаюшей технологии получения вяжущих.
Значительные резервы экономии материальных и топливно-энергетичес-:их ресурсов заложены в использовании крупнотоннажных отходов химиче-:кой промышленности и металлургических производств, крупные запасы кото->ых имеются в Южно-Уральском регионе. В частности, значительной сырьевой іазой для получения вяжущих материалов являются металлургические шлаки Магнитогорского, Белорецкого и других заводов, щелочные и сульфатные от-оды Стерлитамакского АО «Сода» и фосфогипс Мелеузовского АО «Мину-обрения».
Современные методы утилизации подобных отходов подтверждают воз-:ожность их использования в различных направлениях, в частности, в произ-одстве низкоэнергоёмких безобжиговых вяжущих типа сульфатно-шлаковых ГШВ). В этом направлении решаются три основные задачи:
—сделать производство вяжущего не дороже его производства из при-одного сырья;
—обеспечить экологическую чистоту и безотходность производства; —добиться получения вяжущих достаточно высокого качества при их габильности по основным показателям.
В связи с этим были поставлены задачи исследовать возможность исполь->вания в качестве щелочных и сульфатных компонентов сульфатно-шлаковых їжущих ряда отходов химической промышленности, провести анализ физико-гханических свойств СШВ на основе этих отходов и доменных гранулирован-зіх шлаков металлургических комбинатов Южно-Уральского региона, а также іределить оптимальные условия регулируемого структурообразования бето-5в и растворов на СШВ с целью реализации в технологическом процессе.
Цель работы: научное и практическое обоснование возможности применил в качестве активаторов твердения группы ранее не применявшихся мно-тоннажных известесодержащих и сульфатных отходов предприятий химиче-ой промышленности Южно-Уральского региона в составах бесклинкерных лаковых вяжущих с показателями, приближающимися к клинкерным, а также зработка способов направленного регулирования процессами структурообра-вания и свойствами сульфатно-шлаковых вяжущих и бетонов на их основе я их массового использования.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные зада
чи: I
—изучение механизма гидратации и возможности управления ранним'
структурообразованием при твердении сульфатно-шлаковых вяжущих; |
—выявление диссипативных преобразований энергии в процессах формирования фаз новообразований СШВ и взаимосвязи поровой структуры с прочностными и деформативными свойствами бетонов на основе сульфатно-шлаковых композиций;
—раскрытие на основе механизма физико-химической активации шлака и эффективных технологических приемов реализации направленной гидратации сульфатно-шлаковых композиций для получения бетонов с высокими эксплуатационно-техническими свойствами.
Научная новизна работы. Обоснована теоретически и подтверждена экспериментально модель сульфатно-шлаковых вяжущих, как модернизированная многокомпонентная система типа CaO-Al203-CaS04, позволяющая пс данным химического и фазового составе исходных компонентов прогнозировать свойства бетона при твердении в различных условиях.
Раскрыты особенности перекристаллизационных процессов в системе CaO-Al203-CaS04 сульфатно-шлаковых вяжущих в зависимости от количественного соотношения этих фаз. Предложена методика и выполнены расчеть объемных изменений при твердении систем этого типа.
Установлены особенности гидратации сульфатно-шлаковых вяжущих < выявлением образования высокосульфатной формы гидросульфоалюминат; кальция(эттрингита) (3CaO-Al203-3CaS04-31H20) и его термической устойчиво сти, определяющей стабильность формирующейся структуры и свойства бето на.
Впервые раскрыты термодиссипативные преобразования энергии в про цессах формирования первичного и вторичного эттрингита как преобладающе! кристаллической фазы новообразований СШВ.
Изучено экспериментально влияние примесных оксидов, наиболее часті присутствующих в доменных гранулированных шлаках, на скорость гидрата ции шлаковых стекол в сульфатно-щелочной среде. Показана зависимость ме жду содержанием отдельных видов оксидов в составах шлаков и прочностным] характеристиками сульфатно-шлаковых вяжущих.
Выявлена закономерность между процессами структурообразования ком позиций на СШВ и степенью повышения дисперсности вяжущего. Установлен совокупность физико-химических явлений при повышении дисперсности вя жущего, устраняющая спад пластической прочности формирующейся при пц ратацин структуры и оказывающая положительное влияние на кинетику струї" турной прочности твердеющего СШВ и бетона на его основе.
Впервые выявлена взаимосвязь между распределением пор в структур сульфатно-шлаковых вяжущих, показателями микротвердости и значениям прочностных и деформативных характеристик, а также морозостойкости.
Обоснованы условия, определяющие возможности управления процесс; ми контактных взаимодействий сульфатно-шлакового вяжущего с заполнив
ем. Установлено влияние на эти процессы регулируемого количественного
изменения выхода гелевой и кристаллической составляющих. Выявлена кине
тика сцепления раствора СШВ с заполнителем, роль оксида кальция и соотно
шения между сульфатным и щелочным компонентом на процессы контактных
взаимодействий . :
С позиции механико-кинетической теории показаны особенности образования трещин в составах композиций на СШВ и закономерности разрушения бетонов. Проведена комплексная оценка деформативпых характеристик СШВ в зависимости от стадии образования и развития трещин и от В/В.
Основные положения, выносимые на защиту:
—составы сульфатно-шлаковых вяжущих на основе доменных гранули
рованных шлаков, группы сульфатных и щелочных отходов химической про
мышленности; -ч - ;
—результаты теоретических и экспериментальных исследований.по изучению закономерностей процессов структурообразования и перекристаллизации в трехкомпонентных системах СаО-АЬОз-СаБО^
—установление взаимосвязи между дифференциальной пористостью и механико-деформативным характеристикам сульфатно-шлаковых композиций;
—управление физико-механическими свойствами бетонов fta: основе
СШВ на уровне контактных взаимодействий вяжущего с заполнителем и уста
новление механоструктурной долговечности контактных зон с позиций кинети
ческой теории прочности; -.-.-1 "'-,-
—термодиссипативные преобразования энергии в процессах формирования эттрингита как преобладающей кристаллической фазы новообразований СШВ;
—реализация механизма направленного структурообразования с установлением рациональных технологических границ применения сульфатно-шлаковых вяжущих (на основе отходов производства) для получения бетонов с высокими эксплуатационно-техническими свойствами.
Практическое значение работы заключается в расширении сырьевой Зазы производства шлаковых вяжущих за счет замены в их составах класеиче-:ких активаторов — извести, портландцемента, природного гипса ранее не применявшимися для этих целей многотоннажными известесодержащими и :ульфатными отходами химической промышленности и разработке технологии получения бесклинкерных шлаковых вяжущих на основе данных отходов.
Реализация технологии получения сульфатно-шлаковых вяжущих на остове промышленных отходов в рамках действующего производства на предприятиях металлургической и химической промышленности позволяет;'в определенной мере, замкнуть технологический цикл и сократить объем отходов. Разработанные бесклинкерные сульфатно-шлаковые вяжущие на основе метал-тургических доменных гранулированных шлаков и отходов химических произ-зодств, производимые по упрощенной технологии, в ряде случаев способны ус-тешно заменить дорогостоящие высокоэнергоемкие клинкерные цементы при получении строительных растворов и бетонов различного назначения, строительных изделий и конструкций на их основе.
Проведенные исследования кинетики гидратации сульфатно-шлаковы вяжущих с учетом влияния физико-химических факторов воздействия на струк-і турообразование твердеющих композиций позволили предложить конкретную технологию изготовления различных бетонов на СШВ: легких на пористых заполнителях, тяжелых крупнозернистых, мелкозернистых вибропрессованных для изготовления мелкоштучных изделий. Бетоны на СШВ предложенных составов, изготовленные по разработанной технологии, внедрены в мелиоративном строительстве и на предприятиях стройиндустрии республики Башкорто стан.
По результатам проведенных исследований и производственных испытаний разработаны нормативные документы, регламентирующие технологичс' ские, экономические и санитарно-гигиенические требования к производств) сульфатно-шлаковых вяжущих и изделий на их основе, в том числе техниче ские условия ТУ-5744-015-00204872-94 «Вяжущее сульфатно-шлаковое», временные технические условия «Безобжиговое шлаковое вяжущее из огходої производства» и «Камни бетонные стеновые на безобжиговом шлаковом вяжу щем из отходов производства», патент №2076079 на изобретение «Вяжущее» технологический регламент на производство сульфатно-шлакового вяжущего исходные данные на проектирование линии по его производству на Стерлита макском АО «Сода».
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и об суждались на: Научно-технической конференции «Прогрессивные строитель ные материалы и изделия на основе использования природного сырья» (Санкт Петербург, 1992 г.), Научно-технических конференциях профессорско-препода вательского состава Башкирского государственного аграрного университета Уфимского государственного нефтяного технического университета, Санкт Петербургского государственного университета путей сообщения (Уфа, 1990 1996 гг., Санкт-Петербург, 1998-2000 гг.), Международной конференции «Ре сурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструк ций» (Белгород, 1993 г.), Международных конференциях «Современные про блемы строительного материаловедения» (Самара, 1995 г., Казань, 1996 г.) Международной научно-технической конференции «Проблемы строительной комплекса России» (Уфа, 1998 г.), Региональной научно-технической конфе ренции молодых ученых и специалистов «Проблемы агропромышленного ком плекса Южного Урала и Поволжья» (Уфа, 1998 г.), VII Международной конфе ренции РАН «Высокотемпературная химия силикатов и оксидов» (Санкт Петербург, 1998 г.), IV, V, VI академических чтениях РААСН «Современны проблемы строительного материаловедения» (Пенза, 1998 г., Воронеж, 1999 г. Иваново, 2000 г.), Научно-технической конференции «Ресурсосберегающи технологии и технические средства на Октябрьской железной дороге» (Санкт Петербург, 1999 г.), Международной конференции «Долговечность и защит конструкций от коррозии» (Москва, 1999 г.), Региональной научно-техническоі конференции «Экология-99» (Вологда, 1999 г.), IV Международной конфереи цин «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте» (Санкт Петербург, 1999 г.), Академических чтениях «Развитие теории и технологии
пасти силикатных и гипсовых материалов» (Москва, 2000 г.), Областной 57-научно-технической конференции «Исследования в области архитектуры, эоительства и охраны окружающей среды» (Самара, 2000 г.), IV Междуна-дной научно-технической конференции при IV Международной специализи-ванной выставке «Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство -00» (Уфа, 2000 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 45 ра-гах.
Работа выполнена на кафедре «Строительные материалы и технологии» нкт-Петербургского государственного университета путей сообщения. Автор агодарен академику,РААСН, д.т.н., профессору Комохову П.Г. за внимание к Зоте, советы и замечания, а также признателен коллективу кафедры «Строи-тьные конструкции» Уфимского государственного нефтяного технического кверситета, в частности, зав. кафедрой, д.т.н., профессору Бабкову В.В. за зместную работу.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, цержит 326 страниц основного машинописного текста, 83 рисунка, 52 табли-: и список литературы, включающий 319 наименований.
