Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Зарубежный и отечественный опыт производства и применения ресурсосберегающих строительных материалов с использованием техногенных отходов 11
1.1 Масштабы образования и накопления техногенных отходов 11
1.2 Теоретические предпосылки получения эффективных строительных материалов с использованием продуктов переработки изношенных автомобильных шин 18
1.3 Опыт применения техногенных отходов в промышленности строительных материалов 30
ГЛАВА 2. Характеристика используемых материалов, оборудования и методов исследования 45
2.1 Оборудование по переработке изношенных автомобильных шин 45
2.2 Характеристика исходных материалов 50
2.3 Методы исследования 60
Выводы по главе 2 70
ГЛАВА 3. Строительная гибкая черепица на основе резиновой крошки, продукта механической переработки изношенных автомобильных шин ... 71
3.1 Исследование морфологии поверхности резиновой крошки в зависимости от методов механической переработки 71
3.2 Подбор оптимального гранулометрического состава резиновой крошки 79
3.3 Определение технологических параметров формования гибкой черепицы на основе резиновой крошки
3.4 Эксплуатационных характеристик резиновой гибкой черепицы 92
Выводы по главе 3 98
ГЛАВА 4. Комплексное использование техногенных отходов при производстве дисперсно-армированных бетонов 101
4.1 Влияние органоминеральных модификаторов на реологические и физико-механические свойства цементного камня дисперсноармированных бетонов 102
4.2 Сравнительный анализ влияния вида и содержания армирующих элементов на прочность сталефибробетона 108
4.3. Эксплуатационные показатели фибробетона с использованием техногенных отходов 129
Выводы по главе 4 136
ГЛАВА 5. Технико-экономическое обоснование применения в производстве строительных материалов продуктов переработки изношенных автомобильных шин 139
5.1 Инновационные технологии создания эффективных строительных материалов с использованием отходов 139
5.2 Технико-экономическое обоснование создания эффективных строительных материалов с использованием изношенных автомобильных шин 145
Выводы по главе 5 155
Основные выводы 157
Библиографический список 160
- Теоретические предпосылки получения эффективных строительных материалов с использованием продуктов переработки изношенных автомобильных шин
- Характеристика исходных материалов
- Определение технологических параметров формования гибкой черепицы на основе резиновой крошки
- Сравнительный анализ влияния вида и содержания армирующих элементов на прочность сталефибробетона
Введение к работе
Актуальность темы. Производство строительных материалов является наиболее материальной отраслью потребления не только природного сырья, но и техногенных отходов. В этой связи особое значение приобретает разработка новых строительных материалов на основе техногенных отходов, экономическая эффективность которых существенно возрастает при использовании децентрализированного накопления отходов. Решение этой актуальной проблемы связано также с задачей ресурсосбережения во многих регионах, обладающих такими отходами. Массовое накопление отходов производства и потребления свидетельствует об отсутствии или несовершенстве технологических процессов переработки, низком и нерациональном использовании отходов в качестве вторичных материальных ресурсов и определяет необходимость решения экологических проблем.
В настоящее время серьезную озабоченность вызывают прогрессирующие отходы транспортных средств (ОТС), в частности автомобильные шины, которые географически децентрализованы и являются местным техногенным сырьем практически всех регионов РФ. Из известных способов утилизации наиболее масштабным является использование в некоторых странах автомобильных шин в качестве компонента топлива цементной промышленности. Однако этот способ существенно ухудшает экологическое состояние региона за счет значительного выделения при сжигании серного ангидрида. В России ежегодно образуется свыше 1 млн т шин, а перерабатывается всего лишь 20 % из них. Анализ существующих методов переработки свидетельствует о том, что наиболее эффективным и менее энергозатратным является механическая переработка шин, обеспечивающая раздельное извлечение компонентов переработки, таких, как резиновая крошка, металлокорд, текстиль, и комплексное применение их в строительной отрасли. Высокая степень использования продуктов переработки шин способствует дальнейшему развитию наиболее простого, экологически чистого способа переработки автомобильных шин, которые накапливаются во всех регионах РФ, а также экономических и технологических решений по их утилизации.
Степень разработанности исследований. Проведенный анализ показал, что научных публикаций по вопросам применения строительных материалов на основе техногенных отходов, в том числе продуктов механической переработки автомобильных шин, слишком мало. Это не дает возможности объективно оценить эксплуатационную надежность во времени и экономическую эффективность их производства. Кроме того, существующие технологии переработки отходов требуют изучения физико-механических свойств продуктов переработки с целью последующего их использования в композиционных строительных материалах. Для решения этих вопросов необходимы проведение всесторонних исследований технологических процессов изготовления, изучение эксплуатационных свойств
строительных материалов, совершенствование и дальнейшее развитие их конструктивных решений с целью достижения экономического эффекта.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является экспериментально-теоретическое обоснование, разработка составов и технологии получения эффективных строительных материалов с использованием техногенных отходов.
Для решения поставленной цели определены следующие задачи:
изучение техногенных отходов с целью получения эффективных строительных материалов;
определение качественных показателей отходов, в том числе изношенных автомобильных шин, выявление коэффициента износа металло-корда;
выбор и обоснование технологических режимов получения резиновой крошки и оптимальной рецептуры производства отечественной кровельной черепицы на ее основе;
изучение эксплуатационных свойств черепицы;
исследование режимов подготовки металлокорда с целью производства на его основе промышленной фибры;
сравнительный анализ физико-технических свойств фибробетонов, изготовленных на металлокордовой и промышленной фибрах;
анализ возможности использования металлокорда взамен промышленной фибры для получения порошково-активированного фибробетона нового поколения;
технико-экономическое обоснование производства эффективных строительных материалов с использованием отходов.
Научная новизна работы.
-
На основе теоретических и экспериментальных исследований установлена возможность и целесообразность использования резиновой крошки - продукта переработки изношенных шин - в качестве основного сырьевого компонента при производстве отечественной резиновой гибкой черепицы.
-
Выявлены новые закономерности в системе «рецептурно-технологи-ческие факторы - параметры структуры - эксплуатационные свойства», направленные на формирование структуры и свойств резиновой черепицы. Установлены оптимальные технологические параметры производства резиновой гибкой черепицы (давление прессования - 15-17 МПа, температура- 115-125С, время- 12 мин).
-
Предложено математическое описание изменения прочности и относительного удлинения при разрыве резиновой черепицы от рецептурно-технологических факторов полиноминальными зависимостями второго порядка.
-
Выполнен сравнительный анализ физико-технических показателей фибробетонов, армированных промышленной фиброй и фиброй из отхо-
дов. Впервые установлена возможность эффективной замены промышленной фибры на металлокорд в дисперсно-армированных бетонах различного функционального назначения. Определен коэффициент износа металло-корда 8-Ю %.
5. Определено, что для обеспечения высокой адгезии металлокордовой фибры с бетонной матрицей и получения фибробетонов с высокими физико-техническими свойствами (7?сж не мене 150,0 МПа и Яшг не менее 25,0 МПа) необходимо использовать порошково-активированные бетоны нового поколения.
Практическая значимость работы заключается в разработке и определении технологических условий получения новых эффективных строительных материалов на базе техногенных отходов:
разработан и утвержден состав отечественной резиновой гибкой черепицы требуемых физико-механических, эксплуатационных и технико-экономических показателей для устройства кровельных покрытий жилых и общественных зданий;
разработан и утвержден технологический регламент производства напольных и кровельных материалов на основе резиновой крошки;
- получены оптимальные составы сталефибробетонов различного
функционального назначения;
установлены оптимальные технологические параметры получения ресурсосберегающих строительных материалов и использованы при создании малого инновационного научно-производственного предприятия «Экоресурс»;
экономически обоснована эффективность строительных материалов, изготовленных с использованием техногенных отходов.
Личный вклад автора заключается в получении и разработке исходных данных, анализе литературных источников, проведении экспериментальных исследований и обработке, обобщении, анализе, обсуждении полученных результатов и формулировке выводов, участии в производственной апробации данных исследования.
Положения, выносимые на защиту:
- экспериментально-теоретическое обоснование и технологическое
подтверждение возможности получения эффективных строительных мате
риалов с использованием техногенных отходов;
разработка рецептурно-технологических параметров получения ресурсосберегающих строительных материалов - резиновой кровельной черепицы с использованием порошковой резины, фибробетона на основе комплексного использования ОТС и модифицирующих компонентов;
эксплуатационные свойства и технико-экономическая оценка предлагаемых строительных материалов с использованием техногенных отходов.
Степень достоверности.
Достоверность научных исследований, выводов, результатов работы обусловлена сходимостью данных экспериментальных исследований с производственной апробацией, статистической обработкой результатов исследования. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими стандартами с применением методов физико-химического анализа, математического планирования эксперимента.
Апробации работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на международных и всероссийских научно-практических конференциях: научно-практической конференции «Фундаментальные исследования в Пензенской области. Состояние и перспективы» (Пенза, 2010); научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2009); Международной научно-технической конференции молодых ученых и исследователей «Новые достижения по приоритетным направлениям науки и техники» (Пенза, 2010); V Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (Пенза, 2010, 2011); Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» (Пенза, 2011); IV Международной научно-практической конференции «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (Белгород, 2011); Всероссийской конференции научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям «Эврика - 2011» (Новочеркасск, 2011); II Международном семинаре молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей ALIT-2011 (Москва, 2011).
Принимал участие во Всероссийском молодежном образовательном форуме «Селигер-2010», Всероссийском инновационном форуме «Россия, вперед!» (инновационный центр «Сколково»), всероссийских конкурсах «Зворыкинский проект», «Бизнес-успех 2012», Международном экологическом конгрессе ELPIT-2011 «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно- транспортных комплексов» (Тольятти, 2011).
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 18 научных работ, в том числе 5 работ в журналах, рекомендуемых перечнем ВАК РФ, и монография.
Работа отмечена золотой медалью и дипломом первой степени IV Всероссийского форума «Российским инновациям - российский капитал» (Оренбург, 2011г.).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка использованной литературы из 209 наименований. Содержит 180 стр. машинописного текста, в том числе 43 рисунка, 49 таблиц, 5 приложений.
Диссертационная работа выполнялась в рамках гранта РФФИ № 09-08-13580офи_ц (2009-2010гг.); грантов Правительства и Министерства образования Пензенской области, программ «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» фонда содействия малым формам предпринимательской деятельности в научно-технической сфере 2010-2012 гг.
Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору Калашникову В.И. за помощь при подготовке и выполнении работы.
Теоретические предпосылки получения эффективных строительных материалов с использованием продуктов переработки изношенных автомобильных шин
Повторное вовлечение в производство отходов в условиях реализации концепции «промышленного метаболизма» является важнейшей экологической и социальной проблемой всех развитых стран мира. Производство строительных материалов и строительство в целом являются наиболее материалоемкими отрас 19 лями промышленности. В связи с этим, поиск новых прогрессивных ресурсосберегающих и экологически чистых материалов с использованием местного сырья и техногенных отходов является актуальной задачей современного научно-технического прогресса [74, 179]. Однако без дополнительной переработки и подготовки техногенных отходов, как правило, не удается получить высокоэффективные строительные материалы. Это обусловлено как нестабильностью состава отходов, так и наличием в их составе возможных примесей и включений, роль которых оказывается не всегда положительной. С целью обеспечения требуемого качества разрабатываемых на базе отходов ресурсосберегающих строительных материалов и значительного снижения экологического загрязнения необходимо иметь полную диагностическую информацию о составе, агрегатном состоянии, физико-механических и санитарно-гигиенических характеристиках отходов и т.д.
Ниже приведены теоретические предпосылки использования техногенных отходов при создании предлагаемых в настоящей работе эффективных строительных материалов.
Теоретические предпосылки использования резиновой крошки в производстве строительных материалов. Резиновые изделия ввиду своего химического строения (трехмерная химическая сетка) долгое время считались не перерабатываемыми [1 ,2, 50, 119, 136]. Но в последние десятилетия появилось ряд технологий по переработки резинотехнических изделий в многочисленную продукцию. В России, как и во всем мире, существует несколько методов переработки изношенных автошин: сжигание, механическая переработка, пиролиз и др. [3, 5, 74, 75, 94, 95, 142, 156, 161, 174].
Наиболее экологичным и эффективным признается механическая переработка, поскольку позволяет максимально сохранить физико-механические и химические свойства материала, в результате нее образуются резиновая крошка, ме-таллокорд и текстиль [27, 126, 137, 180].
При этом механическую переработку необходимо классифицироват по температуре, способу и методам воздействия на колесо, а так же в зависимости от температуры переработки процесс измельчения резин можно классифицировать на измельчение при низких температурах и измельчение при положительных температурах. Низкотемпературное (криогенное) измельчение позволяет перевести измельчаемый полимер в псевдохрупкое состояние и сохранить его в течение всего процесса измельчения [3, 26, 193, 198]. Измельчение резины, находящейся в хрупком состоянии, происходит не только с поверхности, но и по всему объему. В связи с этим наличие микродефектов при переводе резинового полимера в хрупкое состояние будет способствовать появлению первичных очагов разрушения. При разрушении эластомеров при температурах глубокого холода оказываются справедливыми основные закономерности измельчения хрупких тел, степень дисперсности получаемого продукта возрастает с увеличением энергонапряженности аппарата, используемого для измельчения. При низкотемпературном криогенном разрушении связь энергозатрат и дисперсного состава получаемого продукта описывается законом Риттингера [101].
При измельчении резин высокоскоростным резанием при нормальных температурах, разрушение может быть хрупким, псевдохрупким и высокоэластическим [28, 128]. Доля материала, подвергающаяся деформированию при резании, сравнительно невелика и сосредоточена в непосредственной близости от режущей кромки ножа [21]. Определяющее влияние на процесс резания при этом оказывает состояние измельчаемого материала: в зависимости от изменения его структуры при деформировании. При исследовании разрушения резин резанием в широком диапазоне скоростей измельчения установлено, что при постоянной скорости движения ножа разрушение резин подчиняется основным закономерностям, характерным для механического разрушения эластомеров. При скорости резания 2,5-30 м/с и температуре 20-100С имеет место высокоэластический механизм разрушения, а удельное усилие резания, в зависимости от скорости деформации и температуры, описывается степенной функцией Аррениусова [21]. Разрушение при воздействии деформаций всестороннего сжатия и сдвига, реализуемый в большинстве случаев на аппаратах валкового типа носит псевдохрупкий характер и происходит при наибольшей относительно растягивающей деформации [65, 136, 167].
На примере вулканизаторов СКИ-3 установлено, что в процессе измельчения на вальцах происходит деструкция резинового гранулята [3, 41]. При измельчении изношенной резины кинетика ее деструкции определяется вязкоупругими свойствами материала [43]. Аналогичное воздействие - всестороннее сжатие и сдвиг - на материал происходит и при упруго-деформационном, т.е. экструзион-ном методе измельчения (УДИ) [21]. Реализация упруго-деформационного воздействия достигается в этом случае специальной комбинацией измельчающих элементов, установленных на шнеках экструдера. В отличие от измельчения на вальцах, этот метод позволяет совместить в одном цикле процесса измельчение, введение добавок и химическую обработку материала. По данным авторов [191] при изучении УДИ ненаполненных сшитых эластомеров показано, что с ростом температуры измельчения наблюдается падение деформационно-прочностных свойств вулканизатов, что объясняется уменьшением прочности, обусловленным термофлуктуационным механизмом разрушения. При анализе измельчения не наполненных вулканизатов установлено, что чем меньше эластичность исходного вулканизата, тем больше дисперсность получаемого измельченного материала. Данная зависимость прослеживается как при увеличении степени сшивания материала, так и с ростом температуры. [41, 180]
По данным авторов [43], процесс экструзионного измельчения необходимо проводить при максимально возможных частотах вращения шнеков и скорости подачи материала не менее 200 г/мин. Интервал оптимальных температур процесса УДИ составляет 80-140С. При более низких температурах значительно возрастают энергозатраты на измельчение, а при более высоких - интенсивно протекают процессы деструкции, что приводит к значительному снижению выхода порошков тонких фракций.
Не смотря на то, что в процессе механической переработки автошин происходит окисление поверхности резиновой крошки, а наличие кислородсодержащих оксидных групп на поверхности частиц крошки ухудшает адгезионное взаимо 22 действие между наполнителем и полиолефиновой полимерной матрицей, ее применение имеет значительное ресурсосберегающее значение. Кроме того, в настоящее время разработан ряд модифицирующих добавок, способных повысить адгезионное взаимодействие между компонентами композитов [2, 203].
Таким образом, известные сегодня технологии переработки автомобильных шин позволяют получать резиновую крошку, отличающуюся дисперсностью, формой и морфологическим строением поверхности, что затрудняет ее применение в связи со сложностью прогнозирования характеристик конечной продукции и требует детального изучения основных свойств получаемой крошки на физико-механические и эксплуатационные показатели разрабатываемого кровельного материала.
Теоретические предпосылки получения дисперсноармированных бетонов с использованием техногенных отходов. В настоящее время в теории и практике строительного материаловедения накоплен значительный объем научных данных процессов структурообразования, твердения вяжущих материалов и бетонов на их основе, в том числе с использованием модифицирующих добавок. Рассмотрены механизмы действия многих из них [9, 13, 15, 22, 68, 91, 97, 130, 165]. Однако механизм комплексного влияния многокомпонентных добавок из отходов различных производств в технологии дисперсно-армированных бетонов требует дополнительного изучения.
Свойства бетона определяются его структурой. Процесс формирования структуры бетона включает несколько этапов: выбор сырья, проектирование состава, приготовление, укладка и уплотнение бетонной смеси, схватывание и твердение бетона. Для получения высококачественной структуры необходимо активное управление структурообразованием бетона на всех технологических процессах.
Характеристика исходных материалов
Для изготовления резиновой гибкой черепицы использовали следующие материалы: - резиновая крошка, полученная механическим измельчением изношенных автошин ГОСТ 8407-89 «Сырьё вторичное резиновое. Покрышки и камеры шин. Технические условия» (Рисунок 2.5); - полиуретановое связующее АТК-ЗМ (TOP-UR-90E-PVC), изготовленное по ТУ 2252-002-98997491-2007; - антипирен гексаборат бария ММБ-008, эффективный безгалогенный анти-пирен для резин и большинства термопластов; - диоксид титана марки Р-203 (Таблица 2.5)
В настоящей работе использована резиновая крошка (РК), полученная механическим методом переработки и сохранившая в своей основе молекулярную структуру, а так же эластомерные свойства исходного материала. По степени вулканизации применяемая РК относится к мягкой (1-3 % серы) [138, 152], плотность составляет 1130 кг/м . Удельная поверхность частиц резинового гранулята размером менее 1 мм при механическом измельчении автошин шин составляет -120... 150 м /кг. Резиновая крошка является нетоксичным материалам и согласно классификации вредных веществ по ГОСТ Р 54096-2010 относится к 4-му классу опасности.
Химический состав резиновой крошки из переработанных изношенных шин определялся на базе аккредитованного ИЛЦ ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Пензенской области», результаты экспертизы приведен в таблице 2.2.
Для «сшивания» резиновой крошки применялись наиболее близкие по химическому составу компоненты - полиуретаны. Изучение полиуретановых связующих показало, что не все они являются эластомерами горячего отверждения. Только там, где присутствует реакции взаимодействия с аминами, полиуретаны приобретают свойства эластомеров, имеют высокую степень безопасности, поскольку в них не содержится толуилендиизоцианата (ТДИ). Технические характеристики клея представлены в таблице 2.3.
Дозировки и способы введения «сшивателя» в совокупности с модифицирующими добавками описаны в третьей главе настоящего исследования.
С целью обеспечения эксплуатационных показателей и придания оригинального вида кровли на поверхности черепицы устраивается покрытие из гранул различных фракций и цвета. В качестве исходного материала использовалась крошка из отходов камнедробления нерудных каменных материалов (гранит, мрамор), фракции 0,14...0,63 мм, плотностью 2,5 г/см .
Обеспечение цветовой гаммы достигалось введением пигментов различного цвета, а в частности оксида хрома - пигмент белого цвета, нерастворимый в щелочах и кислотах, согласно ГОСТ 12.1.007 относится к малоопасным веществам (4 класса опасности).
Для приготовления сталефибробетона различного функционального назначения и проведения экспериментальных исследований использовались следующие материалы: - промышленный портландцемент марки ГЩ500-Д0-Н (ГОСТ 10178-85) (ОАО «Вольскцемент», г.Вольск). Результаты химико-минералогического состава клинкера для производств портландцемента ПЦ500-ДО нормального минералогического состава по ГОСТ: C3S; C2S; С3А; C4AF, %: 64,0; 14,0; 3,8; 16,0. Химический состав: Si02 - 21.69; Fe203-5,13; СаО-65,41; MgO-1,13; SO3-0,50; Na20-0,22; K2O3-0,62; R2O-0,63. Удельная эффективная активность естественных радионуклидов 56,2 Бк/кг. Физико-механические характеристики цемента установлены в соответствии с ГОСТ 10178-85 и представлены в таблице 2.6. Завод Марка Syfl, нг, ность активность изготовитель цемента 2м 1 кг % изменения объёма в возрасте 1 -х суток ОАО «Вольскцемент» ПЦ500-Д0 312 23,4 выдержал 48,2 - мелкий заполнитель - песок карьера Песчанка, Ртищевского р-на, Саратовской области. Технические характеристики песка, установленные в соответствии с ГОСТ 8736-93, представлены в таблице 2.7. Таблица 2.7 - Технические характеристики песка Наименование показателей Ед. измерений Фактическое значение Истинная плотность кг/м3 2590 Модуль крупности 2,3 Полный остаток на сите №063 % 36,5 Содержание зёрен крупностью, мм: 105-Ю 0,16 %по массе 0,15 0,5 0,6 Содержание пылевидных и глинистых частиц %по массе 0,5 Содержание органических примесей Проба должна быть светлее эталона Светлее эталона Удельная эффективная активность естественных радионуклидов (Аэфф) Бк/кг 29 В соответствии с ГОСТ 8736-93 используемый песок по содержанию пылевидных и глинистых частиц относится к 1 классу, а по крупности - к группе песков «средний». - крупного заполнителя - габбро-диаритовый щебень Ml400, фр. 5-10 (ГОСТ 8267-97). Основные показатели габбро-диаритового щебня представлены в таблице 2.8. Таблица 2.8 - Технические характеристики щебня Наименование показателей Ед. изм. Габбро-диоритовый щебень фр. 5-10 Истинная плотность кг/м3 2740 Насыпная плотность кг/м3 1390 Марка щебня по дробимости — 1400 Содержание зёрен:- пластинчатой и игловатой формы;- пылевидных илистых и глинистых частиц;- вредных компонентов (SO3); % % % 0,9700,5 Марка щебня по морозостойкости цикл 300 Водопоглощение % 0,32 Удельная эффективная активность радионуклидов Бк/кг 184 - металлические волокна различных методов производства: тонкая промышленная стальная фибра d=0,2...1,0 мм, /= 12 мм, ТУ BY 400074854.628-2009 (ОАО «Белорусский металлургический завод»); волновая стальная фибра d=0,3...1,0 мм, /=12 мм, Wavy FiBer ООО «Профит-М»; металлокорд, представляющий собой латунированную проволоку, получаемую путем переработки изношенных автомобильных шин d=0,2... 1,0 мм, /= 8... 12 мм (Рисунок 2.6). Рисунок 2.6 - Металлокорд. Внешний вид
Для модифицирования бетонных смесей использовались комплексные добавки (КОМД), сочетающие в своем составе индивидуальные добавки различного функционального назначения. Модифицирование проводилось на двух уровнях: микроуровне (уровне цементного камня) и макроуровне (уровне бетона) [161]. Введение в бетон металлокорда позволяет эффективно армировать его на макроуровне, но для более качественного использования волокон необходимо упрочнить матрицу бетона на микроуровне, для этого в бетонную смесь совместно с цементом вводились КОМД - модификаторы.
В качестве водоредуцирующей органической составляющей КОМД использовались: суперпластификатор - отечественная добавка С-3 на основе нафталин-сульфокислоты и формальдегида, представляющая собой полианионные поверх-ностноактивные вещества, состоящие из СНФ - сульфонафталинформальдегида; гиперсуперпластификатор Sika ViscoCrete-20 GOLD (Германии), позволяющий снизить водопотребность более чем на 30 %. Действие пластификаторов типа Sika ViscoCrete-20 GOLD основано на совокупности электростатического и сте-рического эффектов. Последний достигается благодаря боковым гидрофобным полиэфирным цепям молекул поликарбоксилатного эфира. За счет этого водоре-дуцирующее действие данных видов суперпластификаторов в несколько раз сильнее, чем у обычных добавок. В зависимости от условий синтеза получают по ликарбоксилаты с различными длинами боковых полиэфирных цепочек. Это позволяет создавать материалы с разным соотношением стерического эффекта и анионной активности [21, 23].
Минеральным компонентом вводимых органоминеральных модификаторов являлись реакционно-активные наполнители на основе техногенных отходов, образующихся в Пензенской области в процессе добычи природных каменных материалов (Песчаники Саловского месторождения), а также тонкие местные строительные пески (месторождения с.Ухтинка, Пензенской области), получаемые измельчением частиц до удельной поверхности уд = 300...400 м /кг
Определение технологических параметров формования гибкой черепицы на основе резиновой крошки
Выявлено, что с увеличением процентного содержания полиуретана прочность всех исследуемых образцов увеличивается. Так, наиболее высокой прочностью (Рисунок 3.9) обладают образцы № 6 и № 7, это обусловлено применением в их составах крупной, обладающей малой развитостью поверхности крошки, требующей для сшивки минимального количества связующего (8... 10 %). Образцы № 5 и № 8 изготовлены с применением мелкодисперсной крошки, диаметром менее 1,2 мм, что при малом количестве связующего (менее 10 %) делает их более «бедными» и не позволяет набрать высокую прочность. С увеличением содержания связующего до 10... 12 % набор прочности отмечен у всех образцов. Так, с повышением количества полиуретана с 8 до 10 %, прочность состава № 6 увеличилась на 14,3 %, а состава № 8 на 29,5 %, что свидетельствует о повышении реологических показателей раствора № 8. В дальнейшем прочностные показатели всех образцов увеличивались, вместе с этим, в составах № 5, № 6,№ 7 наблюдается затухающая динамика набора прочности, а в составе № 8 сохраняется тенденция к значительному росту прочности при растяжении.
В соответствии с [175], прочность, предъявляемая к кровельным материалам на основе резины, полимеров и т.д. должна составлять не менее 3 МПа. Таким образом, все исследуемые составы, при различном содержании связующего (10... 14 %), удовлетворяют данному критерию. Однако образцам, изготовленным из составов № 5 и № 8, для обеспечения заданного условия требуется значительное количество дорогостоящего полиуретанового связующего (более 12 %), что повышает стоимость конечной продукции, и приводит к необходимости снижения содержания данного материала. Образцы № 6 и № 7 показали близкие прочностные характеристики при одинаковом содержании сшивателя (10... 12 %), но в составе № 6 не используется резиновая крошка фракции 0...1,2 мм, а это в свою очередь ухудшает показатели однородности и плотности смеси.
Таким образом, наиболее выгодным с технико-экономической точки зрения, исходя из процентного содержания крошки различной фракции (Рисунок 3.5), после механической переработки на установке КПШ-1, является состав № 7. Прочность данного состава при содержании сшивателя 9... 11 % соответствует харак 84 теристикам, предъявляемым европейским стандартом качества EN 544 «Качественные характеристики битумной черепицы» по классу 1 к резино-битумным кровлям (Kerabit, Ruflex и др.). Несмотря на присутствие крупной фракции резиновой крошки до 4,0 мм в составе изготавливаемого резинополимера возможно получать материалы, соизмеримые по толщине с используемой крошкой. Фракционный состав резиновой крошки незначительно влияет на прочностные и деформационные характеристики материала, но позволяет снизить процентное содержание связующего, тем самым снизить себестоимость конечной продукции.
Для оценки влияния технологических параметров формования гибкой черепицы на основе резиновой крошки на прочность при разрыве и относительное удлинение резинополимеров были исследованы температура, давление и концентрации связующего.
Процесс получения резинополимера включал две стадии. На первом этапе перемешиваются сухие компоненты до однородного состояния. На втором этапе в приготовленную таким образом смесь, при непрерывном перемешивании, вводилось необходимое количество связующего. Такая технология позволила исключить коагуляцию пигментов и обеспечить необходимую однородность смеси.
Выбор температуры формования матрицы резинополимера определялся соотношением температуры начала полимеризации связующего и температуры начала деструкции резиновой крошки. По термогравиметрической кривой резинового гранулята установлено, что разрушение и потеря эластических свойств крошки, связанное с термическим окислением материала начинается при температуре выше 158С.
Нижняя граница смешения компонентов ограничивалась минимальной температурой начала активного действия используемого «сшивателя», а верхняя граница - температурой начала деструкции резиновой крошки. Таким образом, тем 85 пературный режим изготовления резинополимера на основе полиуретанового связующего и резиновой крошки составил 80-160С.
Расход материалов на 1 м резинополимера составил (при толщине 4 мм): резиновая крошка фр.0...4,2, полученная методом упруго-деформированного измельчения, насыпной плотностью /?=395кг/м3- 4,56 кг; пигмент (диоксид титана, плотностью 3950 кг/м ) - 0,05 кг, дозировка полиуретанового связующего АТК-ЗМ (TOP-UR-90E-PVC) - 8, 10, 12 % от массы сухой смеси. Полиуретановое связующее в своем составе содержит антипирен барат-бария 0,3 % по массе.
Для выявления оптимальной температуры и давления прессования, дозировки связующего и оптимизации состава резинополимера на его основе проводилось математическое планирование эксперимента с последующей обработкой данных на ПК. В качестве варьируемых переменных были приняты: х\ - Р, давление прессования, МПа; Х2 - Т, температура смеси при прессовании, С0; Хз - Д, дозировка полиуретанового связующего, %. Для определения функциональной зависимости типа у — J \Х] 5 Xj , х ) было использовано ортогональное центральное композиционное планирование эксперимента с варьированием каждой независимой переменной на трех уровнях.
Пределы изменения факторов представлены в таблице 3.3. Таблица 3.4 - Пределы варьирования переменных
Варьируемый фактор Кодовое обозначение Натуральные значения переменных, соответствующие кодовым Давление прессования Р, МПа X/ 10 15 20 Температура смеси при прессовании Т, С0 х2 80 120 160 Дозировка полиуретанового связующего Д, % х3 8,0 10,0 12,0 В таблице 3.5 представлена матрица планирования в кодовом и натуральном выражениях. В качестве выходных параметров были исследованы разрывная прочность резинополимера Rp, МПа и относительное удлинение при разрыве є, %.
Сравнительный анализ влияния вида и содержания армирующих элементов на прочность сталефибробетона
Таким образом, добавление к цементу измельченного кварцевого песка позволяет увеличить реологическое воздействие суперпластификатора. Благодаря интенсивной реакции гидратации, связанной с высокой водоредуцирующей эффективностью суперпластификатора, происходит гидролиз минералов цементного клинкера, взаимодействие гидролизной извести (портландита) с тончайшими частицами кварцевого песка с образованием тоберморитоподобной фазы и ксонотли-та. Указанное обеспечивает возможность использования измельченных кварцевых песков месторождений Пензенской области, содержащих активную форму аморфизированного SiC 2 в качестве дисперсно-активных наполнителей цементных композиций, позволяющее расширить область использования мелких природных песков, как альтернатива промышленного микрокварца и микрокремнезема.
Для определения оптимальных дозировок дисперсных наполнителей и исследования процессов структурообразования цементного камня были изготовлены дисперсно-наполненные цементы, содержание тонкомолотых нерудных каменных материалов в которых составило 5...35 % по объему от расхода цемента. Влияние дисперсных наполнителей из отходов на кинетику твердения и водопо-требность цементных композиций определялось на образцах-кубиках 2x2x2 см, изготовленных из цементного теста нормальной густоты. Твердение опытных образцов происходило в нормально-влажностных условиях.
С введением тонкоизмельченных наполнителей с 5 до 35 % водопотреб-ность цементного теста нормальной густоты изменяется незначительно и превышает контрольное значение, независимо от вида наполнителя не более, чем на 11%.
Наличие в составе цементных композиций измельченных отходов камнед-робления и мелких песков, способствует повышению прочности на 25...35 % и обеспечивает возможность получения реакционно-активных наполнителей, близких по активности к микрокремнезему и микрокварцу. Особенно четко это наблюдается при дозировке 10...20 % от массы цемента. Максимальная прочность цементного камня в первые сутки твердения получается при дозировках наполнителя в пределах 10... 15%, а нормативная (в возрасте 28 сут.) - 5... 15 %, в зависимости от вида наполнителей.
Реакционно-химическая активность измельченных строительных песков и отходов песчаника возрастает в пластифицированных цементных системах. Практически все суперпластификаторы действуют значительно эффективнее в водных дисперсиях оксидов, минеральных порошков или их смесей с цементом, по сравнению с дисперсиями чистого цемента, вследствие эффекта «соразжижения». По данным авторов водоредуцирующее действие суперпластификатора С-3 (Вд) изменяется в цементных суспензиях от 55 до 65 %; в цементно-песчаных растворах от 30 до 40% в бетонных смесях от 20 до 35 %. Максимальная эффективность по водореду-цированию для различных цементов обеспечивается при В/Ц= 0,19
В дальнейшем это подтверждено в дисперсноармированных щебеночных, мелкозернистых и порошково-активированных бетонах нового поколения.
Выявлено, что применение высокодисперсных реакционно-активных мелких песков и отходов камнедробления месторождения Пензенской области является чрезвычайно перспективным для создания высокоэффективных модифика 108 торов бетона. Замена клинкерной составляющей на измельченные наполнители из отходов позволяет решить комплекс экологических (снижение выбросов в атмосферу) и технологических задач (экономия природных ресурсов, энергосбережение), расширить материально-сырьевую базу эффективных модификаторов бетона, благодаря использованию отсевов камнедробления и мелких строительных песков.
Применение сталефибробетона в строительстве неразрывно связано с вопросами экономики. Согласно данным автора [145] для большинства сталефибро-бетонных конструкций стоимость по сравнению с железобетонными уменьшается незначительно, а зачастую даже возрастает, что обусловлено высокой стоимостью используемых волокон.
Одним из направлений снижения затрат при производстве сталефибробетона и изделий из него можно считать замену дорогостоящих материалов для производства фибровой арматуры на более дешевое вторичное сырье.
На сегодняшний день металлокорд является одним из самых прочных про-мышленно используемых материалов. Металлокорд уступает по удельной прочности арамидам, стеклокорду, поликапрамиду, но при этом его высокая прочность, жесткость и сопротивление сжатию позволяет уменьшать число кордных слоев, закладываемых в шину, позволяя, снижать вес автошин. В связи с воздействием значительных нагрузок, действующих на колесо в процессе эксплуатации автомобиля, стальное волокно, применяемое при производстве автопокрышек, обладает очень высокой прочностью. Повышенные физико-механические характеристики стального корда позволяют изготовлять шины для автомобилей большой грузоподъемности. По сравнению с текстильным кордом, важным свойством металлокорда является отсутствие явления снижения прочности под воздействи 109 ем влаги, малое снижение прочности в результате фреттинга [32, 152, 156, 176]. Металлокорд состоит, как правило, из трех элементов (Рисунок 4.3).
Среди армирующих материалов шин, металлокорд имеет самый высокий модуль Юнга, а это обуславливает низкие потери на тепловыделение при работе шин, малое сопротивление качению, стабильность формы шины под различными видами нагрузок [185].
Возможность применения металлокорда, полученного после механической переработки изношенных автошин, в виде дисперсной арматуры в фибробетоне и концепция его получения основа на следующих аспектах: - экологическом, основанном на безопасности процесса переработки шин, производства и применения металлокорда; по - технологическом, отражающим механизмы структурообразования фибро-бетонов, модифицированных комплексными органоминеральными добавками и армирующими элементами; - экономическом, обосновывающим экономической целесообразности применения комплексных модифицирующих добавок и армирующих элементов в категории «затраты - качество».
Анализ литературных источников свидетельствует, что оптимальная длина фибры, обеспечивающая требуемые характеристики фибробетона, составляет 6... 14 мм [83, 88]. Исследованы геометрические характеристики фибры, получаемые в процессе механической переработки автомобильных шин. При базовой длине металлокорда 10 мм, изменчивость длины волокна составляет: 6-8 мм (10...15%), 9-Ю мм (60...70%), 11-12 (12...18%), 13.. 14 (5...8 %) (Рисунок 4.4).
