Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 13
Общая характеристика отходов топливной промышленности и их применение в строительстве 13
Основные физические характеристики зол и шлаков топливной промышленности г. Воронежа 21
Химический и фазово-минералогический состав зол и шлаков ТЭЦ-1 г. Воронежа 22
Влияние золошлаков ТЭЦ на свойства бетонной смеси и структуру затвердевшего бетона 28
Повышение физико-механических характеристик золошлако- бетонов путем применения водорастворимых полимеров 41
Цель и задачи исследований, научная гипотеза работы 44
Выводы по главе 48
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ИССЛЕ ДОВАНИЯХ 49
Характеристика сырьевых материалов 49
1 Зола, шлаки их смеси 49
2 Поливиниловый спирт 52
3 Латекс синтетический СКС-30 ШХП 55
4 Цементы... 58
5 Пластификаторы 60
6 Поверхностно-активные вещества 60
Методики исследования реологических свойств золошлакобетонной смеси и основных физико-механических свойств 30-
лошлакобетонов 62
1 Определение удобоукладываемости золошлакобетонной смеси. 62
2 Определение средней плотности золошлакобетона 63
2.2.3 Определение водопоглощения золошлакобетона 63
2.2.4 Определение морозостойкости золошлакобетона 64
2.2.5 Определение пористости золошлакобетона 65
2.2.6 Определение прочности на сжатие золошлакобетона 66
2.2.7 Определение прочности на поперечный изгиб 67
2.2.8 Определение истираемости золошлакобетона 68
Выводы по главе 69
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО РАЗРА БОТКЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ СОСТАВОВ МОРОЗОСТОЙКО ГО МЕЛКОЗЕРНИСТОГО ЗОЛОШЛАКОБЕТОНА С ДО БАВКАМИ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛИМЕРОВ 70
3.1 Исследование влияния гранулометрического состава золошла-ковой смеси на водопотребность и прочность мелкозернистого золошлакобетона 70
3.2 Исследования влияния пластификаторов на удобоукладывае-мость золошлакобетонной смеси ' 78
3.3 Особенности тепловой обработки изделий из золошлакобетонной смеси подвижной консистенции 85
3.4 Исследование морозостойкости и водонепроницаемости мелкозернистого золошлакобетона с добавками водорастворимых полимеров 88
Выводы по главе 94
4 РЕКОМЕНДУЕМЫЕ СОСТАВЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГО ТОВЛЕНИЯ ЯЧЕИСТОГО ЗОЛОШЛАКОБЕТОНА БЕЗАВ ТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ С ДОБАВКАМИ ВОДОРАС ТВОРИМЫХ ПОЛИМЕРОВ 96
4.1 Свойства ячеистого золошлакобетона 96
4.1.1 Общие сведения и классификация 96
4.1.2 Основные физико-технические свойства ячеистого золошлако- бетона 99
Исследования по разработке и назначению рациональных со ставов ячеистых золошлакобетонов 100
Исследование влияния режимов перемешивания на воздухововлечение в золошлакобетонную смесь 107
Исследование режимов термообработки ячеистого золошлако- бетона 111
Изучение процессов влагопереноса в исследуемых ячеистых золошлакобетонах 119
Исследование теплопроводности и морозостойкости разрабо танного ячеистого золошлакобетона 125
Выводы по главе 132
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЗО ЛОШЛАКОБЕТОНА, ЗАТВОРЯЕМОГО ВОДОРАСТВОРИ МЫМ ПОЛИМЕРОМ. ОПЫТНОЕ ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 134
Рекомендации по изготовлению изделий плотной и ячеистой структуры из золошлакобетона, затворяемого водорастворимым полимером 134
1 Испытание и подготовка сырья 135
2 Приготовление плотной и ячеистой золошлакобетонной смеси. 136
3 Формование изделий из плотной и ячеистой золошлакобетонной смеси 138
4 Термообработка изделий, распалубка, складирование, хранение и транспортирование изделий из плотного и ячеистого золошлакобетона 140
Внедрение результатов диссертационных исследований 141
Выводы по главе 145
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 146
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 151
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Результаты исследований золошлаков ТЭЦ-1 ОАО «Воронежэнерго» 163
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акты внедрения 175
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Расчет себестоимости и ориентировочной стоимости мелкоштучных изделий из бетона 180
Введение к работе
Актуальность работы. Современные тенденции развития промышленного производства различной продукции характерны тем, что природные ресурсы истощаются, а отходы производства, как в мире, так и особенно в странах СНГ, наращиваются. Больше всего отходов образуют предприятия горнодобывающих, металлургических и теплоэнергетических отраслей. Огромные скопления этих отходов нарушают экологическое равновесие в природе, являются источником загрязнения окружающей среды, зачастую под отвалы занимаются необходимые для народного хозяйства земли. Нагрузка на окружающую среду достигла такого уровня, при котором сама природа уже не в состоянии восстановить нарушенное экологическое равновесие.
На 11-ом международном симпозиуме в Орландо (1995 год) приводились данные о выходе и использовании золы тепловых электростанций, из которых видно, что большинство стран мира используют 55...90 % зольного
выхода, в том числе в строительстве от 35 до 70 % [85]. Страны СНГ зани-, мают в этом по существу одно из последних мест (7 % в целом и 4,4 % в строительстве). В России использование золошлаковых отходов за период с 1995 года по настоящее время снизилось на 30 % и более. В строительстве золошлаковые отходы применяются в основном при производстве железобе Л тонных и бетонных изделий. В связи с этим, несмотря на наличие многочис ленных работ отечественных и зарубежных исследователей и ученых-производственников, разработавших рекомендации, ГОСТы и технологии применения золошлаковых отходов (ЗШО) ТЭЦ в бетонах, требуется комплексный подход к решению этой проблемы. Необходимы такие теоретиче- ские и практические разработки и предложения, которые позволят использовать твердые отходы каждого предприятия, золы и шлаки каждой электро { станции и каждой котельной на 100 %, сокращая применение в бетонах при родных и искусственно созданных заполнителей, а также цемента, ликвидируя золошлакоотвалы как таковые. Это позволит решить триединую задачу: экологическую (ликвидацию отходов), экономическую (стоимость бетонов из вторичных ресурсов значительно дешевле) и социальную (увеличение строительства жилья и других объектов за счет утилизации отходов).
Минтопэнерго разработан «Каталог технологий по утилизации золош-лаковых отходов ТЭЦ», в котором приведена классификация 6-ти направлений использования ЗШО. В каталоге только в разделах «Строительный комплекс» и «Промышленность стройматериалов», собрано свыше 350 известных технологий и разработок, которые могут быть использованы для ресурсосбережения и охраны природы. Однако, несмотря на достаточную технологическую проработанность проблемы, она требует своего дальнейшего изучения и углубления. Проблема использования в строительстве твердых отходов ТЭЦ имеет две стороны: теоретическую и практическую.
Теоретическая заключается в том, что из этих отходов еще не были разработаны составы и технологии безавтоклавных бетонов с добавками водорастворимых полимеров обладающих такими качествами, как: высокой подвижностью для исключения виброобработки при формовании изделий; высокой морозостойкостью; создание малоцементных бетонов на основе низкокальциевых зол и исследование процесса их структурообразования. .
Практическая сторона проблемы упирается в отсутствие: эффективных проектов и специального оборудования; инвестиций и экономической заинтересованности ТЭЦ и потребителей в увеличении использования ЗШО; налоговых и штрафных санкций к ТЭЦ, игнорирующих природоохранные требования, и льгот для экологически чистых предприятий.
В связи с этим есть необходимость дальнейшего продолжения исследований в области разработки малоцементных бетонов, содержащих отходы топливной промышленности и обладающих комплексом благоприятных физико-механических свойств.
Целью работы является разработка рецептур эффективных золошла-кобетонов с использованием в качестве затворителя 7 % водного раствора по ливинилового спирта и бутадиен-стирольного латекса СКС-30 ШХП, исследование свойств полученных композитов, выяснение роли влияющих факторов в формировании структуры плотных и ячеистых золошлакобетонов с использованием в качестве затворителей указанных полимеров, выдача рекомендаций по их приготовлению и применению. Задачи исследования:
- научно-практическое обоснование возможности получения плотных и ячеистых золошлакобетонов при использовании в качестве затворителей 7 % водного раствора поливинилового спирта и бутадиен-стирольного латекса СКС-30 ШХП;
- выяснение роли влияющих факторов в формировании структуры плотных и ячеистых золошлакобетонов при использовании в качестве затворителей 7 % водного раствора поливинилового спирта и бутадиен-стирольного латекса СКС-30 ШХП;
- исследование влияния вида и количества пластифицирующих добавок на реологические свойства золошлако-цементных смесей, установление зависимостей основных физико-механических характеристик золошлакобе-тонных композиций от вида и количества указанных добавок, исследование морозостойкости золошлакобетонов;
- исследование влияния режимов перемешивания, вида и количества пенообразователей, режимов тепловой обработки на процесс структурообра-зования ячеистых золошлакобетонов при использовании указанных водорастворимых полимеров;
- разработка рациональных составов плотного и ячеистого золошлако-бетона, при использовании в качестве затворителей 7 % водного раствора поливинилового спирта и бутадиен-стирольного латекса СКС-30 ШХП, исследование их основных физико-механических характеристик по существующим методикам;
- оценка технико-экономического эффекта результатов внедрения;
- разработка рекомендаций по результатам исследований и их опытное внедрение в производство.
На защиту выносятся:
- новый строительный композиционный материал - золошлакобетон плотной и ячеистой структуры безавтоклавного твердения, на основе крупнотоннажных отходов топливной промышленности - золошлака Воронежской ТЭЦ-1 с использованием в качестве затворителей 7 % водного раствора поливинилового спирта и бутадиен-стирольного латекса СКС-30 ШХП, с комплексом свойств, обеспечивающих его эффективность при использовании в несущих и ограждающих конструкциях;
- предлагаемые составы золошлакобетонов плотной и ячеистой структуры безавтоклавного твердения с добавками водорастворимых полимеров, полученные в результате оптимизации его деформационно-прочностных и технологических свойств;
- результаты исследования водо- и морозостойкости золошлакобетонов плотной и ячеистой структуры;
- результаты исследования деформационно-прочностных свойств золошлакобетонов плотной и ячеистой структуры и полученные аналитические, зависимости для определения его характеристик;
- результаты исследования технологических параметров, позволяющих получать золошлакобетоны плотной и ячеистой структуры с заданными показателями прочности, плотности, пористости, водо- и морозостойкости;
- рекомендации по технологии приготовления и применению разработанных рецептур золошлакобетонов в строительстве;
- показатели экономической эффективности.
Научная новизна работы заключается в создании эффективных золошлакобетонов плотной структуры и ячеистых безавтоклавного твердения, с использованием в качестве затворителя 7 % водного раствора поливинилового спирта и латекса СКС-30 ШХП с использованием крупнотоннажных от ходов топливной промышленности, отличающихся комплексом благоприятных физико-механических характеристик.
Впервые изучено влияние водорастворимых полимеров, не требующих отвердителей, используемых в качестве затворителеи, режимов безавтоклавной термообработки на прочность, плотность, водо- и морозостойкость разрабатываемых золошлакобетонов плотной и ячеистой структуры.
На основе сравнительного анализа доказана эффективность использования в качестве затворителеи 7 % водного раствора поливинилового спирта и бутадиен-стирольного латекса СКС-30 ШХП.
Разработаны составы морозостойкого мелкозернистого и ячеистого золошлакобетонов, затворяемых водорастворимыми полимерами, определены их нормативные прочностные характеристики.
Исследованы технологические параметры приготовления золошлакобетонов плотной и ячеистой структуры безавтоклавного твердения и их влияние на физико-механические характеристики разработанных бетонов.
Разработаны рекомендации по технологии приготовления и применению указанных золошлакобетонов в строительстве.
Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплексных методов исследований, включающих: патентно-информационный анализ; стандартные методики определения реологических и физико-механических свойств получаемых золошлакобетонов. Использованы методы математической статистики и программные средства расчетов на ЭВМ.
Теоретическую основу исследования составили основы положения физикохимии полимеров, а также технические решения задач по оптимизации составов композиционных материалов на основе золошлакобетонов с добавками водорастворимых полимеров.
Практическое значение. Разработан и исследован новый строитель-. ный композиционный материал с использованием в качестве затворителеи водорастворимых полимеров не требующих отвердителей, на основе крупно тоннажных отходов топливной промышленности ТЭЦ-1 города Воронежа, позволяющий создавать строительные изделия и конструкции высокой водо-и морозостойкости с улучшенными прочностными характеристиками, а также увеличить эффективность, долговечность и надежность строительных сооружений в целом.
Определены рациональные области применения разработанных золош-лакобетонов плотной и ячеистой структуры безавтоклавного твердения.
Опытное внедрение данного материала в производство доказало его высокую эффективность, долговечность, а также экономическое и практическое превосходство перед применяемыми в производстве аналогичных материалами.
Использование местных сырьевых материалов, в том числе крупнотоннажных техногенных отходов, не только снижает себестоимость золошлако-бетона, но и способствует улучшению экологической ситуации в регионе.
Реализация работы. Выявленные зависимости и разработанные составы плотных и ячеистых золошлакобетонов безавтоклавного твердения с добавками водорастворимых полимеров получили проверку в натурных условиях и опытном внедрении. Результаты исследований использованы:
- при производстве тротуарных плиток из мелкозернистого золошла-кобетона на ЗАО «Хохольский песчаный карьер»;
- при производстве мелких стеновых блоков из ячеистого золошлако-бетона безавтоклавного твердения на базе строительных мощностей в/ч 55603 города Гатчина Ленинградской области;
- при чтении лекций курсантам Воронежского ВАИИ по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».
Достоверность полученных результатов и выводов по работе обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием современных средств исследований и измерений, применением математических методов планирования экспериментов и статистической обработкой
результатов, а также опытными испытаниями и их положительным практическим эффектом. Результаты работы нашли отражение в учебном процессе.
Личное участие автора состоит в разработке рекомендаций по приготовления золошлакобетонной смеси с добавками 7 % водного раствора поливинилового спирта и бутадиен-стирольного латекса СКС-30 ШХП, проведении исследований реологических свойств золошлакобетонной смеси и основных физико-механических свойств золошлакобетонов, а также в обработке и анализе опытных данных.
Публикации и апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в 11 печатных работах.
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технической конференции Пензенской ГАСА (г. Пенза, 2002 г.), научно-технической конференции ВГАСУ (г. Воронеж, 2002 г.), межвузовской научно-технической конференции «Совершенствование наземного обеспечения авиации» ВВАИИ (г. Воронеж, 2002 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Совершенствование наземного обеспечения авиации» ВВАИИ (г. Воронеж, 2003 г.), двух международных научно-технических конференциях «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2004), XXIV Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 80-летию со дня рождения академика В.П. Макеева УрО РАН (г. Екатеринбург, 2004 г.), международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (г. Пенза, 2004 г.), трех конференциях ВВАИИ (г. Воронеж, 2004 г.).
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять разделов, основные выводы, список использованных источников из 116 наименований и 3 приложений. Работа содержит 181 страниц сквозной нумерации, включая 18 рисунков, 29 таблиц и 3 приложения.
