Содержание к диссертации
Введение
1. Структурообразование, составы, свойства, технология изготовления и применение композиционных материалов контактно-конденсационного твердения 11
1.1. Современное представление о структурообразовании композиционных строительных материалов контактно-конденсационного твердения. 11
1.2. Технология получения композиционных материалов контактно-конденсационного твердения 24
1.3. Составы, физико-механические свойства композиционных материалов контактно-конденсационного твердения. Опыт применения отходов промышленных предприятий при получении строительных материалов 32
1.4. Выводы по главе 45
2. Цель и задачи исследований. Применяемые материалы и методы исследований 47
2.1. Цель изадачи исследований 47
2.2. Применяемые материалы ...48
2.3. Методы исследований 49
2.4. Выводы по главе 54
3. Оптимизация структуры, составов и технологии изготовления композитов контактно-конденсационного твердения 55
3.1 Исследование процессов структурообразования композитовконтактно-конденсационного твердения 55
3.2. Плотность и пористость композитов контактно-конденсационного твердения 66
3.3. Исследование зависимости изменения прочности материалов контактно-конденсационного твердения от основных структурообразующих факторов 70
3.4. Деформативность композитов контактно-конденсационного твердения 82
3.5. Исследование зависимости изменения прочностных свойств цементных композитов от последовательности совмещения используемых компонентов 85
3.6. Выводы по главе 89
4. Долговечность композиционных материалов контактно-конденсационного твердения 91
4.1. Исследование деградации композитов контактно-конденсационного твердения при выдержке в агрессивных средах методом рентгеноструктурного анализа 91
4.2. Водостойкость композитов 97
4.3. Химическое сопротивление в водных растворах щелочей 102
4.4. Химическое сопротивление в растворах кислот 106
4.5. Микробиологическая стойкость композитов контактно -конденсационного твердения 111
4.6. Выводы по главе .116
5. Разработка способов улучшения свойств композитов контактно-конденсационного твердения 118
5.1. Исследование влияния модифицирующих добавок на прочность 118
5.2. Исследование влияния модифицирующих добавок на химическую стойкость 124
5.3. Повышение долговечности композитов контактно- конденсационного твердения за счет введения полимерной добавки 126
5.4. Исследование влияния модифицирующих добавок на биологическую стойкость 130
5.5. Выводы по главе .141
6. Производственное внедрение и экономическая эффективность применения композитов контактно-конденсационного твердения 143
6.1. Принципиальная технологическая схема изготовления материалов контактно-конденсационного твердения 143
6.2. Производственное внедрение композитов контактно-конденсационного твердения 146
6.3. Экономическая эффективность внедрения композитов контактно-конденсационного твердения 148
6.4. Выводы по главе. 157
Основные выводы 158
Список использованных источников 160
Приложения 172
- Технология получения композиционных материалов контактно-конденсационного твердения
- Плотность и пористость композитов контактно-конденсационного твердения
- Микробиологическая стойкость композитов контактно -конденсационного твердения
- Исследование влияния модифицирующих добавок на биологическую стойкость
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из важнейших проблем современного строительного материаловедения является получение долговечных композиционных материалов на основе дешевого, доступного, часто невостребованного местного сырья, к которому можно отнести как природные ресурсы, так и отходы производственных предприятий. Их использование позволяет существенно расширить сырьевую базу и снизить себестоимость получаемой продукции как за счет невысокой стоимости этих ресурсов, так и в результате значительного уменьшения транспортных расходов, так как расходы, связанные с доставкой требуемого сырья к месту производства, энергозатраты на его дополнительную обработку, использование дорогих, часто импортных добавок неизбежно повышают стоимость строительных материалов. Кроме того, снижается риск остановки производства из-за возможных перебоев с поставкой сырьевых ресурсов.
Нередко отходы производства, являясь достаточно эффективными и часто уже подготовленными компонентами, которые можно широко использовать при получении строительных композитов, оказываются невостребованными и попадают на свалки, способствуя быстрому их заполнению, что в свою очередь приводит к необходимости постоянного отвода под них новых земель. Это обуславливает то, что проблема утилизации отходов в современных условиях с каждым годом приобретает все более актуальное значение.
Среди всего многообразия техногенных отходов, которые в больших количествах сбрасываются в отвалы, значительная часть приходится на бой стекла и шлак. А между тем они являются эффективными вторичными ресурсами, которые могут быть использованы в строительной индустрии при получении связующих, бетонов и изделий на их основе.
Используемые в настоящее время способы изготовления строительных материалов с применением этих ресурсов базируются на технологиях, предусматривающих спекание сырья при высоких температурах, его обработку в ав-
токлавах и т. д. Учитывая высокую энергоемкость, а соответственно и стоимость этих процессов, наиболее перспективным направлением решения проблемы получения широкой номенклатуры эффективных композиционных строительных материалов и изделий на основе местных природных ресурсов и отходов производства, с нашей точки зрения, является использование технологий, основанных на принципах контактно-конденсационного твердения.
Эта технология позволяет получать композиционные материалы требуемой для строительных целей прочности, достигаемой доступными приемами, без значительных энергетических и трудовых затрат. Ее применение способствует значительному сокращению технологического цикла и получению композиционных материалов с высокой "мгновенной" прочностью. Технологические процессы могут быть осуществлены на традиционных промышленных линиях по производству композиционных материалов, что дает возможность получить значительный экономический эффект при внедрении таких технологий в производство.
Например, по сравнению с традиционной автоклавной технологией производства силикатных изделий контактная технология определяет широкий спектр независимых управляемых технологических воздействий (степень пресыщения раствора, время выращивания кристаллов, оптимальный размер новообразований, параметры кинетики растворения и кристаллизации, время прессования и т. д.) для изменения выходных характеристик исследуемой системы.
В этой связи исследования, направленные на разработку технологии получения, оптимизацию составов и изучение свойств долговечных строительных материалов и изделий, изготовленных с применением боя стекла и других отходов на основе принципов контактно-конденсационного твердения, являются актуальными.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является экспериментальное обоснование приемов и методов получения долговечных строи-
тельных материалов с применением технологии контактно-конденсационного
твердения на основе местных природных ресурсов и отходов производства.
Задачи исследования состоят в следующем:
Cnv установить закономерности структурообразования композиционных строи-
тельных материалов контактно-конденсационного твердения на уровне макроструктуры;
разработать рациональную технологию получения широкой номенклатуры
эффективных композиционных строительных материалов и изделий на ос
нове отходов производства и местных природных ресурсов;
оптимизировать составы вяжущих и композиционных строительных мате-
^ риалов по показателям прочности, водо- и морозостойкости, химического и
биологического сопротивления;
установить основные физико-технические свойства бетонов контактно-конденсационного твердения;
получить количественные зависимости изменения физико-механических свойств композитов контактно-конденсационного твердения при воздействии химических и биологических агрессивных сред;
(Ц подобрать эффективные добавки для композитов контактно-
конденсационного твердения, позволяющие улучшить их физико-механические свойства и долговечность в условиях воздействия химических и биологических агрессивных сред.
Научная новизна работы. Получены эффективные строительные
композиты контактно-конденсационного твердения на основе местных природ
ных ресурсов и отходов производства, обладающие повышенной стойкостью в
растворах кислот и биологически активных средах.
и Выявлены основные закономерности протекания процессов структу-
рообразования композиционных строительных материалов контактно-конденсационного твердения на уровне макроструктуры.
Установлены количественные зависимости изменения физико-механических свойств композитов контактно-конденсационного твердения при воздействии химических и биологических агрессивных сред.
Подобраны эффективные добавки, позволяющие улучшить физико-механические свойства бетонов контактно-конденсационного твердения на основе местных сырьевых ресурсов и повысить их долговечность в условиях воздействия химических и биологических агрессивных сред.
Практическая значимость работы.
Разработана технология получения бетонов контактно-конденсационного твердения на основе местных природных ресурсов и отходов производства, позволяющая снизить энергозатраты, длительность технологического цикла и расширить номенклатуру используемых сырьевых материалов при сохранении высокого качества получаемой продукции.
Оптимизированы составы бетонов контактно-конденсационного твердения по физико-механическим и технологическим свойствам. Рекомендованы составы композитов, обладающие повышенной долговечностью в условиях воздействия химических и биологических агрессивных сред.
Внедрение результатов работы. Разработанная технология прошла промышленную апробацию на ОАО «ЖБК-1» в г. Саранске. Была осуществлена привязка разработанной технологии изготовления бетонов контактно-конденсационного твердения к технологии производства мелкоштучных стеновых блоков. Выпущена опытно-промышленная партия мелкоштучных изделий на основе стеклощелочного связующего с применением местных сырьевых ресурсов с использованием технологии контактно-конденсационного твердения.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на следующих внутривузовских, всероссийских и международных конференциях и семинарах: III Международной научно-практической конференции «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» (Пенза, 2001);
Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы строительного материаловедения. 1-е Соломатовские чтения» (Саранск, 2002); Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения
(А' В. Г. Шухова, «Современные технологии строительных материалов и конст-
рукций» (Саранск, 2003); VII конференции молодых ученых Мордовского университета (Саранск, 2003); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства, 2-е Соломатовские чтения» (Саранск, 2003); республиканской научно-практической конференции «Роль науки в социально-экономическом развитии Республики Мордовия», посвященной
к 70-летию НИИ гуманитарных наук при Правительстве РМ (Саранск, 2003); III
Щ Республиканской научно-практической конференции «Роль науки и инноваций
в развитии хозяйственного комплекса региона» (Саранск, 2004); Восьмых академических чтенях РААСН «Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения» (Самара, 2004); Международной научно-технической конференции «Биоповреждения и биокоррозия в строительстве» (Саранск, 2004); IX научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева (Са-
(у^ ранск, 2004); Международной научно-технической конференции «Актуальные
вопросы строительства» (Саранск, 2004); научной конференции «XXXIII Ога-ревские чтения» (Саранск, 2005); III Международной научно-практической конференции «Развитие современных городов и реформа жилищно-комунального хозяйства» (Москва, 2005), IV республиканской научно-практической конференции «Наука и инноваций в Республике Мордовия» (Саранск, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе-
. ния, 6 глав, выводов, списка использованной литературы из 135 наименований.
Она изложена на 174 страницах машинописного текста, включает 54 рисунка,
11 таблиц, 1 приложение.
Работа выполнена на кафедре строительного производства Мордовского университета.
Автор искренне признателен научному консультанту - кандидату физико-математических наук, доценту Н. К. Сорокиной за помощь и ценные советы, замечания и полезные консультации, а также благодарит сотрудников кафедры строительного производства Мордовского государственного университета и кандидата технических наук, доцента А. Д. Богатова за консультации, советы и поддержку при работе над диссертацией.
1. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ, СОСТАВЫ, СВОЙСТВА, ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИТОВ КОНТАКТНО-КОНДЕНСАЦИОННОГО ТВЕРДЕНИЯ
Технология получения композиционных материалов контактно-конденсационного твердения
В последние десятилетия благодаря применению принципов контактно конденсационного твердения были проведены теоретические исследования и инженерно-технические работы, позволившие произвести ряд разработок в области строительного материаловедения, доказывающих несомненную практическую ценность предложенной технологии [9, 10, 42]. Использование принци . пов контактно-конденсационного твердения позволило предложить низко энер гоемкую технологию получения широкой номенклатуры строительных материалов: стеновых облицовочных, тепло и звукоизоляционных, строительных растворов и т.д.
Совершенствование технологии получения этих материалов связанно с расширением сырьевой базы. Характерным примером являются различные материалы золошлаков ТЭС, удаляемых гидротранспортом, которые не находят широкого применения в традиционных технологиях ввиду высокой обводненности. Однако именно наличие гидратных фаз является одним из решающих факторов, обеспечивающих возможность реализации контактно-конденсационного структурообразования в материалах на их основе, что позволяет организовать крупномасштабную переработку золошлаков гидроудаления.
Применение принципов контактно-конденсационного твердения позволяет использовать при изготовлении строительных материалов не только золош-лаковые смеси ТЭС, но и многие другие промышленные отходы: золы, шлаки цветной и черной металлургии и т.д. [44, 53, 63, 79, 86, 87, 93-98].
Контактно-конденсационные свойства нефелинового шлама естественной гранулометрии, а также свойства разработанных Р. Ф. Руновой и В. Д. Глухов-ским вяжущих на его основе позволили предложить конструкцию дорожной одежды с их использованием. Технологические особенности заключаются в приобретении прочности и водостойкости сразу после их уплотнения в процессе укладки в полотно дороги, что значительно сокращает период от сооружения до эксплуатации [42].
На Хмельницком ПО "Термопластавтоматы" применяется способ получения облицовочной плитки с использованием органоминерального вяжущего при повышенных уплотняющих нагрузках [42]. В состав вяжущего на основе шлама при мокром способе помола вводился второй жировой гудрон или мылонафт в количестве 5-7 % от общей массы по сухому веществу. В качестве армирующего наполнителя использовались распущенные асбестовые волокна 5 % по массе, как красители были применены фталоцианиновые пигменты. При прессовании в 200 МПа получена плитка прочностью при изгибе 13-14 МПа, при сжатии 32-35 МПа, морозостойкостью 25-50 циклов.
Путем двустороннего прессования при давлении 40 МПа состава на основе вяжущего, представленного гидратированым шламом и кремнеземом в качестве заполнителя получен кирпич марок Ml 00-М 150 при средней плотности 1100-1500 кг/м3 [42].
Принципы контактно-конденсационного твердения нашли применение в технологии силикатных прессованных изделий, в частности кирпича. В. Д. Глу-ховским, П. В. Кривенко и др. предложена технология получения кирпича на основе известково-кремнеземистых смесей [42]. Химические взаимодействия практически полностью реализуются в дисперсном состоянии на стадии приготовления вяжущего контактного твердения и сырьевой смеси в целом, а роль операции формования (прессования) принципиально изменяется, так как при этом происходят перевод дисперсной системы в водостойкое камневидное тело. Этого не происходит в традиционной технологии производства силикатного кирпича, когда прессованием достигается только придание формы, но не водостойкости.
Вариант технологии получения эффективного силикатного кирпича с учетом использования местного сырья, а том числе кварцевого песка и опоки был разработан для Матвеевского завода силикатных материалов [73]. Особенностью данного варианта явилось исключение операции тепловлажностной обработки (автоклавирования или пропаривания) изделий. По целому ряду показателей безавтоклавный кирпич имеет преимущества перед силикатным: средняя плотность в 1,3 - 1,5 раза ниже, коэффициент теплопроводности составляет 0,3 Вт/(м К). Это позволяет говорить об одном из определяющих преимуществ разработанной технологии - снижении материалоемкости изделий. Происходит существенное снижение энергетических и материальных затрат при выпуске эффективного кирпича. Уменьшение материалоемкости связано с высокими теплозащитными свойствами получаемых изделий. Энергетические затраты на производство безавтоклазного кирпича в 16,4 раза меньше по сравнению с производством керамического кирпича и в 1,9 раза - автоклавного. Это обусловлено рациональным использованием энергии химического взаимодействия на стадии приготовления вяжущего и избыточной свободной энергии некристаллических твердых фаз при формовании изделий, что заметно снижает расход подводимой энергии. Давление в 20 и 40 МПа, позволяет получить кирпич с пределом прочности при изгибе сразу после формования до 2,1 МПа при пределе прочности при сжатии до 15 МПа.
При производстве эффективного силикатного безавтоклавныного кирпича наиболее ответственными являются технологические операции, обеспечивающие приготовление вяжущего, подготовку заполнителя и формование изделия [42]. Максимальные значения прочности кирпича соответствуют длительности цикла формования в пределах 10 с. Необходимой операцией, обеспечивающей уменьшение влажности кирпича» является сушка изделий до 6...3 %, при которой кирпич транспортируют на строительные площадки. Эстетические v требования к цвету кирпича обеспечиваются включением в технологическую цепочку операции окраски, которая осуществляется одним из известных способов получения декоративного кирпича [27].
Разработан проект завода по производству безавтоклавного силикатного кирпича [114]. Предложено в отличии от ранее разработанной технологии гиперпрессования силикатных систем применять сушку шликерной смеси до влажности 15-20 %, и удалять влагу фильтропрессованием. Это позволяет сократить затраты энергоносителя на сушку, а также повысить степень уплотнения смеси, что приводит к самоорганизации элементов, обеспечивая их контактную конденсацию.
Плотность и пористость композитов контактно-конденсационного твердения
В ходе проведения экспериментов по исследованию зависимости изменения прочности материалов контактно-конденсационного твердения от основных структурообразующих факторов были изготовлены и исследованы композиты на основе природных ресурсов и отходов производств Республики Мордовия. Были проведены исследования изменения прочностных свойств композитов на основе цементного, стеклощелочного, гипсового, эпоксидного связующего и цементной пыли в зависимости от таких структурообразующих факторов, как степень наполнения, дисперсность и вид наполнителя, количественное содержание и вид связующего, способ уплотнения, характер отверждения и т.д.
Предпосылками для исследования композитов контактно-конденсационного твердения на основе цементного связующего послужило то, что характеристики данных материалов во многом определяются свойствами и структурой цементного камня, которая включает гидратные новообразования, поры различных размеров и непрореагировавшие клинкерные зерна [74, 88, 93]. К гидратным образованиям относятся гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция. Определенная часть клинкерных зерен не вступает в реакцию с водой и выполняет роль наполнителя. Таким образом, выгодно и целесообразно заменять часть клинкерных наполнителей более дешевыми местными минеральными порошками и отходами промышленности. Следует отметить и то, что наполнители, благодаря способности связывать гидрооксид кальция, способны повысить стойкость цементных композитов в растворах кислот, которые являются одними из наиболее распространенных агрессивных сред.
По данным исследователей для цементных композитов наиболее эффективны наполнители, обладающие гидравлической активностью, состоящие в основном из аморфного кремнезема: диатомит, опока, пепла, туф, пемза, трассы, гранулированные и доменные шлаки, золы тепловых электростанций и др. [68].
Теоретическими предпосылками создания стеклощелочных вяжущих послужило то, что бой стекла по химическому составу приближается к осадочным и метаморфическим породам типа натролита, морденита и т. д. Некоторые из процессов образования осадочных кам невидных пород проходят при температурах и давлениях, близких к тем, которые имеют место при изготовлении строительных материалов гидратационного твердения, и, следовательно, могут моделироваться в строительной промышленности [116]. Например, цеолиты осадочного происхождения, такие, как анальцим, морденит, натролит, шабазит и др., возникают в коре выветривания в результате низкотемпературных гидротермальных реакций. Возможность возникновения тех или иных цеолитов зависит от химического состава гидротермальных растворов.
Анализ публикаций об осадкообразовании свидетельствует о том, что химическое выветривание щелочных алюмосиликатных горных пород под действием щелочных растворов приводит к изменению их химического и вещественного состава. При этом наиболее характерным процессом распада щелочноземельных образований является превращение безводных алюмосиликатов в водные. По существу данный процесс не отличается от процесса гидратации минералов портландцементного клинкера, поэтому допустимо предположение, что он возможен и при твердении щелочных вяжущих систем [41,45].
В общем случае рассмотренные процессы имеют следующие основные стадии, которые связаны с изменением щелочности среды: гидратация безводных щелочных минералов; уменьшение содержания гидратных новообразований щелочей и замещение их водородными ионами или гидроксониями; переход алюминия из четверной координации в шестерную, то есть явления, происходящие при гидратации и твердении строительных цементов [51]. Учитывая эти положения, были проведены оптимизационные исследования по корректировке химического состава стеклобоя с целью обеспечения процессов структу-рообразования. Выявлено, что в качестве корректирующих добавок пригодны местные глины, карбонатные породы, а также отходы производств заводов строительной индустрии, специализирующихся на выпуске керамических материалов и изделий (порошкообразные фракции керамзита, керамического кирпича и т. д.).
Исследования проводились на образцах после их обработки в термовлаж-ностных условиях и естественного твердения в течение 28 суток, как в случае приложения внешнего давления, так и без него. После укладки образцы, подвергаемые термовлажностной обработке, в течение 1 суток твердели при нормальных условиях, а затем в условиях обработки в пропарочной камере по режиму 1,5+6+2 ч с температурой изотермического цикла 90 С. В ходе проведения экспериментов было изготовлено несколько партий образцов по технологии контактно-конденсационного твердения при давлении прессования от 0 до 200 МПа и для сравнения одна партия с применением виброуплотнения. В момент приложения высокого внешнего давления в образцах создаются стесненные условия, и процессы структурообразования протекают качественно по-другому, В процессе непрерывного повышения давления процессы структурообразования, протекающие в нормальных условиях иногда в течение нескольких часов, завершаются в течение цикла прессования. В процессе прессования фиксируется отжатие части поверхностной воды, которая регулирует количество межслоевой воды. Происходят процессы, обусловленные фазовыми превращениями и перестройкой пористой структуры.
В зависимости от: связующего, наполнителя (вида, процентного содержания, дисперсности) и способа отверждения, прочность на сжатие композитов контактно-конденсационного твердения, изготовленных при давлении 200 МПа до 14 раз выше, чем у композитов полученных по стандартным технологиям. При этом происходит значительное сокращение технологического цикла.
Проведенные исследования свидетельствуют о значительном увеличении прочности композитов в результате приложения внешнего механического давления. Несколько отличающийся характер изменения прочности и пористости наполненных композитов, объясняется различной сжимаемостью порошков.
Так, например кривая роста прочности композитов, наполненных кварцевым песком, носит более монотонный характер по сравнению с композитами наполненными диатомитом и маршалитом (рис 3.13).
Так вид используемого связующего и наполнителя оказывает значительное влияние на оптимальный режим обработки. В зависимости от содержания связующего и давления прессования разница прочности композитов отвержденных в нормальных и термовлажностных условиях может достигать.
Микробиологическая стойкость композитов контактно -конденсационного твердения
Возможность биологических повреждений неорганических материалов — бетонов различного вида на неорганических вяжущих (цементах, цементной пыли, гипсе, извести и др.), керамических материалов, естественных каменных материалов, как правило, обусловлена воздействием продуктов метаболизма микроорганизмов. Основные процессы разрушения об5словлены действием кислот, выделяемых в процессе жизнедеятельности микроорганизмов. Перечень таких кислот весьма обширен: от сильных минеральных (серной и азотной) до органических, как многоатомных (гуми новых, пировиноградной), так и более простых по структуре (уксусная, молочная, винная, щавелевая, яблочная, лимонная).
Как правило, биоповреждения бетона за счет продуктов метаболизма микроорганизмов начинаются с поверхности и идут вглубь, - так же как и при погружении бетона в жидкую агрессивную среду.
Бактерии развиваются при наличии жидких сред, т. е. на материалах и изделиях, достаточно увлажненных или погруженных в жидкость (коллекторы, трубопроводы, конструкции подземных сооружений и т. д.). Наиболее активными коррозионными агентами являются тионовые, сульфатредуцирующие и нитрифицирующие бактерии, создающие кислые агрессивные среды.
В результате жизнедеятельности тионовых и нитрифицирующих бактерий создаются агрессивные коррозионные среды за счет накопления серной и азотной кислот — конечных продуктов их метаболизма.
Трансформация серы и ее соединений, содержащихся в природных каменных материалах, осуществляется следующими видами тионовых бактерий: Т. thioparus; Т. denitrifikans; Т. thiooxidans; Т. ferrooxidans; Т. novellas и т. д. Продуктом всех этих, реакций является серная кислота, подкисляющая среду и создающая необходимый рН для оптимального развития того или иного вида тионовых бактерий.
В результате деятельности нитрифицирующих бактерий образуется азотная кислота за счет окисления аммиака, происходящего в две фазы. В первой аммиак окисляется до азотистой кислоты. Возбудителями этой фазы нитрификации являются виды Nitrosomonas, Nitrosocystis и др. Вторая фаза нитрификации сопровождается окислением азотистой кислоты до азотной и вызывается Nitrobacter vinogradskii.
Проблема получения строительных композиционных материалов с высокой коррозионной стойкостью в последние годы стала крайне актуальной. Экспериментальные исследования и практика показали, что цементные бетоны имеют незначительное сопротивление к воздействию продуктов метаболизма различных бактерий, наиболее опасными из которых являются сильные неорганические кислоты, такие как: серная, азотная. Их агрессивность объясняется тем, что содержащаяся в бетоне гидроокись кальция как сильное основание легко реагирует с ними, образуя соль, вступает в реакцию со всеми кислотами и карбонат кальция. Силикаты и алюмосиликаты кальция так же способны вступать в реакцию при действии на бетон сильных кислот.
Таким образом, значительное разрушающее воздействие на строительные и промышленные материалы оказывают продуцируемые микроорганизмами кислоты. В этой связи изучение стойкости композиционных строительных материалов в смеси веществ, являющихся продуктами метаболизма микроскопических организмов, представляет значительный интерес. В ходе проведения экспериментов были использованы сочетания неорганических веществ низкой концентрации, воздействие которых на композиционные материалы позволяло бы достаточно точно моделировать процессы биологической коррозии, происходящей при воздействии продуктов метаболизма микроорганизмов.
Рост бактерий возможен в жидких средах, значение рН которых лежит в диапазоне от 2 до 11,5. В качестве предполагаемых агентов химической коррозии, вызванной воздействием продуктов жизнедеятельности бактерий, нами были использованы серная кислота H2S04 (с концентрацией 2%), азотная кислота HN03 (2%), аммиак NH3 (2%).
Одним из способов, позволяющих повысить стойкость композитов в агрессивных биологических средах, является применение более эффективных технологий изготовления композиционных материалов. В этом плане весьма перспективной является технология контактно-конденсационного твердения, позволяющая получать композиционные материалы с более высокой прочностью и меньшей пористостью. В данной работе представлены результаты исследования стойкости в смеси веществ, являющихся продуктами метаболизма микроскопических организмов, композитов изготовленных на основе цементной пыли, которая имеет высокую дисперсность и содержит повышенное количество свободной окиси кальция, щелочей и серного ангидрида. В качестве наполнителей были рассмотрены: бой стекла, кварцевый песок, порошок керамзита, пи-ритные огарки, известняк и диатомит. В ходе проведения экспериментов, было изготовлено несколько партии образцов по технологии контактно-конденсационного твердения при давлении прессования от 0 до 200 МПа, для сравнения, так же была изготовлена партия с применением виброуплотнения. Полученные образцы были подвергнуты термо-влажностной обработке.
После этого образцы из каждой партии помещались в растворы моделирующие процессы биологической коррозии. В дальнейшем через 30, 60 и 90 суток проводились испытания этих образцов на прочность, полученные значения сравнивались с результатами испытания образцов непосредственно после их термо-влажностной обработки (рис. 4.14, 4.15).
Это позволило определить зависимость изменения свойств исследуемого композиционного материала под воздействием биологически агрессивных сред от способа изготовления и длительности испытания. Для определения влияния вида наполнителя на химическую стойкость, результаты испытаний композитов сравнивались с результатами испытаний образцов изготовленных без наполни Хл теля, что также отображено на графиках (рис 4.15).
Исследование влияния модифицирующих добавок на биологическую стойкость
Проблема долговечности композиционных материалов является одной из наиболее актуальных в современном строительстве. Повышения долговечности необходимо для обеспечения требуемого срока службы бетонов, имеющих огромные масштабы применения и ограниченный срок службы в агрессивных средах естественного и техногенного происхождения. Это обусловлено тем, что в процессе своей эксплуатации изделия из композиционных материалов непрерывно взаимодействуют с окружающей средой, которая может оказывать на них сильное негативное влияние. Зачастую на практике, строительные конструкции, подвергающиеся воздействиям внешней среды и нагрузок, показывают недостаточную долговечность, что является серьёзной проблемой, от решения которой зависит эффективность строительных материалов и изделий в целом. Долговечность и надежность строительных материалов и конструкций, эксплуатирующихся в животноводческих зданиях и птицеводческих комплексах, мясомолочных и консервных комбинатах, предприятиях микробиологической промышленности и в других отраслях, в которых применяются и перерабатываются органические материалы, способные быть питательной средой для различных микроскопических организмов, в значительной степени обусловлена именно степенью их защищенности от биологических повреждений. Под биоповреждениями понимают любое нежелательное изменение свойств и нарушение работоспособности материалов и конструкций в результате воздействия биологически активных сред и продуктов их жизнедеятельности [6, 20, 22, 105, 119].
К биологически активным средам относятся бактерии, грибы, актиноми-цеты. Самыми активными разрушителями являются мицелиальные грибы, которые потребляют материал или отдельные его компоненты в качестве продуктов питания, а также оказывают химическое воздействие на материал в результате выделения продуктов их жизнедеятельности, к которым в первую очередь относятся органические кислоты, ферменты, аминокислоты. Подсчитано, что ущерб, причиняемый зданиям и сооружениям в результате биоповреждений, составляет многие десятки миллиардов долларов ежегодно [20].
Кроме негативного, порой достаточно сильного, воздействия на строительные материалы, изделия и конструкции в целом, микроорганизмы способны нанести серьезный вред здоровью человека. Например, поселяясь на поверхности строительных конструкций, микроорганизмы наряду с разрушающим воздействием вызывают ухудшение экологической ситуации в помещениях - приводят к возникновению запаха плесени, выделяют токсичные продукты, аллергены, что может быть причиной серьезных заболеваний, так как некоторые виды микроорганизмов являются патогенными по отношению к человеку и животным. А попавшие в человеческий организм мельчайшие дозы грибкового яда могут вызвать через несколько лет появление раковых опухолей.
Таким образом, риск возникновения и развития биоповреждений должен быть исключен на самой ранней стадии, т. е. уже при проектировании зданий и сооружений. В этой связи создание строительных материалов и конструкций с улучшенным биологическим сопротивлением является важной задачей в области строительного материаловедения.
С точки зрения снижения стоимости и трудоемкости проведения работ наиболее эффективным из методов борьбы с биоповреждениями является введение в состав бетона фунгицидных добавок, относящихся к различным классам химических соединений, придающих необрастающие свойства [30]. Фунгициды обычно вводят в материалы в виде растворов: воды, масла, растворителей. Кроме того, фунгицид может вводиться в состав материала и методом пропитки [58]. Нередко эти добавки улучшают не только фунгицид ные, но и их физико-механические свойства композитов [3,4].
В основе токсического действия биоцидных добавок (фунгицидов) лежит их способность ингибировать определенные реакции метаболизма грибов, угнетать дыхание, нарушать их клеточные структуры. Фунгицид, контактируя с клеточной оболочкой гриба, проникает в клетку и вступает во взаимодействие с внутриклеточным содержимым, подавляя их биосинтез [25, 57,122].
Нами были проведено изучение биологического сопротивления материалов контактно-конденсационного на основе боя стекла и цемента, осуществленное в соответствии с методикой, приведенной в главе 2. Добавки вводили в составы в виде растворов, а так же методом пропитки. Материалы изготовлялись по технологии контактно-конденсационного твердения и для сравнения по технологии виброуплотнения. В качестве добавок были применены: Картоцид, TEFLEX, фоторезист позитивный ФП-ЮФ, кубовый остаток после перегонки диметапфармида после фоторезиста.
Добавки применяемые нами с целью защиты от биоповреждений: Картоцид, Teflex, фоторезист позитивный ФП-ЮФ, кубовый остаток после перегонки диметапфармида после фоторезиста оказывают влияние не только на биологическое сопротивление материалов, но и на их основные физико-механические свойства. Модифицирующие добавки влияют на прочность, плотность, пористость, подвижность смеси, оптимальное количество воды затворения, сроки схватывания и т. д. Следовательно, для эффективного применения модифицирующих добавок с целью защиты строительных композитов контактно-конденсационного твердения от биоповреждений, необходимо проведение исследования их влияния на основные свойства применяемых материалов.
Картоцид хоть и не оказывает существенного влияния на биологическую стойкость цементных и гипсовых материалов, но увеличивает подвижность смеси и соответственно уменьшает необходимое количество воды затворения для создания равноподвижной смеси.
Добавка Teflex так же оказывает пластифицирующее действие и уменьшает соотношение жидкости и сухих кампонентов необходимое для создания равноподвижной смеси. Изменение водопотребности в зависимости от содержания добавки Teflex для состав на основе напрягаемого цемента НЦ 20 и портландцемента М 400 (% от массы сухого вещества) представлено в табл. 5.1 и 5.2. . При этом наибольший пластифицирующий эффект характерен для портландцемента.
Похожие диссертации на Долговечность композитов контактно-конденсационного твердения на основе отходов промышленности и местных материалов
