Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ
1. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК ПО ПОЛУЧЕНИЮ,
ПРИМЕНЕНИЮ И ИССЛЕДОВАНИЮ СВОЙСТВ
ШЛАКОЩЕЛОЧНЫХ ВЯЖУЩИХ И БЕТОНОВ НА ИХ
ОСНОВЕ 14
1.1. Шлакощелочные вяжущие и бетоны, составы, свойства,
ф применение 17
1.2. Роль удельной поверхности и гранулометрического состава
минеральных вяжущих веществ в формировании их свойств 22
1.2.1. Влияние удельной поверхности и гранулометрического
состава шлака на свойства ШЩВ 26
1.2,1 Л. Влияние удельной поверхности шлаков на свойства ШЩВ в
зависимости от модуля основности шлака и вида щелочного
компонента 27
ф. 1.2.1.2. Влияние гранулометрического состава шлаков на свойства
ШЩВ 28
1.3.. Шлакощелочные вяжущие с минеральными добавками
природного и техногенного происхождения 29
Шлакощелочные вяжущие с добавками природных и дегидратированных глин 32
Заключение. Цели и задачи исследований 37
(* 2. ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ,
ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ 39
2.1. Характеристики сырьевых материалов 39
Шлаки 39
Щелочные компоненты 41
2.1.3. Добавки 41
* 2.2. Методы исследований, приборы и оборудование 45
*
2.2.1, Методика приготовления образцов 45
2.2.2. Методы исследований. Приборы и оборудование 46
3. СВОЙСТВА И СТРУКТУРА ШЛАКОЩЕЛОЧНЫХ
ВЯЖУЩИХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВИДА, ТОНКОСТИ
ПОМОЛА И ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА,
ВИДА ЗАТВОРИТЕЛЯ И СОДЕРЖАНИЯ ДОБАВОК
МОЛОТОГО БОЯ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА 50
Влияние способа введения добавки молотого боя керамического кирпича на свойства шлакощелочного вяжущего при совместном и раздельном помоле компонентов 50
Влияние химического и минерального состава добавок молотого боя керамического кирпича на свойства шлакощелочных вяжущих 52
Оптимизация состава шлакощелочного вяжущего с добавками молотого боя керамического кирпича 54
*
Влияние удельной поверхности молотых шлаков и добавок боя керамического кирпича на нормальную густоту шлакощелочных вяжущих 57
Влияние удельной поверхности молотых шлаков и добавок боя керамического кирпича на сроки схватывания шлакощелочных вяжущих 59
3.5.1. Влияние тетрабората натрия на сроки схватывания
бездобавочных и с добавками молотого боя керамического
* кирпича шлакощелочных вяжущих 63
Влияние удельной поверхности молотых шлаков и добавок боя керамического кирпича на среднюю плотность и водопоглощение шлакощелочных вяжущих 64
Влияние удельной поверхности молотых шлаков и добавок боя керамического кирпича на прочность и кинетику твердения шлакощелочных вяжущих 74
3.8. Особенности влияния гранулометрического состава
молотых шлаков и добавок боя керамического кирпича на
свойства шлакощелочных вяжущих 80
3.8.1. Гранулометрический состав молотых шлаков и его влияние на свойства шлакощелочных вяжущих
3,8.2. Гранулометрический состав молотых шлаков с добавками
боя керамического кирпича и его влияние на свойства
шлакощелочных вяжущих 85
3.9. Влияние добавок боя керамического кирпича на
продолжительность помола вяжущих 87
ЗЛО. Роль содержания поверхностных зарядовых центров
молотых шлаков в свойствах шлакощелочных вяжущих 88
Влияние добавок молотого боя керамического кирпича на состав и микроструктуру шлакощелочного вяжущего 89
Рациональные составы шлакощелочных вяжущих в зависимости от вида шлака, тонкости помола, вида затворителя
и содержания добавок молотого боя керамического кирпича 94
3.13. Выводы по главе 3 96
4. СВОЙСТВА ШЛАКОЩЕЛОЧНЫХ РАСТВОРОВ В
ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВИДА ШЛАКА, ТОНКОСТИ
ПОМОЛА ВЯЖУЩЕГО, ВИДА ЗАТВОРИТЕЛЯ И
СОДЕРЖАНИЯ ДОБАВОК МОЛОТОГО БОЯ
КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА 99
Влияние удельной поверхности молотых шлаков и добавок боя керамического кирпича на среднюю плотность и водопоглощение шлакощелочных растворов 99
Влияние удельной поверхности молотых шлаков и добавок боя керамического кирпича на прочностные свойства шлакощелочных растворов и кинетику их твердения 106
Рациональные составы шлакощелочных растворов в зависимости от вида шлака, тонкости помола, вида затворителя
и содержания добавок молотого боя керамического кирпича 114
Выводы по главе 4
СВОЙСТВА ШЛАКОЩЕЛОЧНЫХ БЕТОНОВ В
ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВИДА ШЛАКА, ТОНКОСТИ
ПОМОЛА ВЯЖУЩЕГО, ВИДА ЗАТВОРИТЕЛЯ И
СОДЕРЖАНИЯ ДОБАВОК МОЛОТОГО БОЯ
КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА 120
Влияние удельной поверхности молотых шлаков, добавок
боя керамического кирпича, вида затворителя, условий и
продолжительности твердения на среднюю плотность и
водопоглощение шлакощелочных бетонов 120
Влияние удельной поверхности молотых шлаков, добавок боя
керамического кирпича, вида затворителя, условий и
продолжительности твердения на прочность шлакощелочных
бетонов 127
Влияние удельной поверхности молотых шлаков и добавок
боя керамического кирпича, вида затворителя, на
морозостойкость и водонепроницаемость шлакощелочных
бетонов 133
Влияние добавок молотого боя керамического кирпича на
высолообразование 135
Рациональные составы шлакощелочных бетонов в зависимости от вида, тонкости помола, вида затворителя и содержания добавок молотого боя керамического кирпича 137
Выводы по главе 5 140
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 140
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 142
ПРИЛОЖЕНИЯ
Введение к работе
В последнее десятилетие мировое сообщество пересмотрело стратегию дальнейшего развития земной цивилизации, выдвинув взамен доминировавшего направления безграничного "научно-технического прогресса" стратегию "устойчивого развития", основные критерии которой -ограничение потребления природных ресурсов, энергосбережение, защита окружающей среды [1]. Эти же критерии являются базовыми и в стратегии развития строительного комплекса [2, 3]. В "Стратегии развития строительного комплекса Российской Федерации на период до 2010 г."[4] ставятся задачи рационального использования мировых природных ресурсов и вовлечения в производство техногенных отходов различных отраслей промышленности, замещения на 20 - 30 % природного сырья производственными и бытовыми отходами в производстве строительных материалов. Вопросы эффективности и экологические аспекты использования отходов промышленности в производстве строительных материалов нашли широкое отражение в исследованиях большинства НИИ и вузов строительного профиля [5-8 и др.]. Вместе с тем состояние использования отходов промышленности в производстве строительных материалов нельзя назвать удовлетворительным. Наиболее крупные по объемам в отвалах, занимающих десятки тысяч гектаров земли, скопились шлаки металлургической промышленности и золошлаки ТЭС. Только в отвалах металлургических комбинатов Урала и Сибири скопилось более 450 млн.т доменных шлаков. Ежегодный выход каждого их них составляет более 30 млн. т. И, если в других технически развитых странах объемы утилизации ежегодных отходов промышленности достигают 80-90 %, то в нашей стране этот показатель не превышает 10 - 15 %. Металлургические шлаки используют в качестве заполнителей для бетонов, материалов для отсыпки дорог, в производстве шлакопортландцемента. Металлургические, в частности, доменные шлаки представляют ценность как сырьевой компонент
в производстве минеральных вяжущих веществ - шлакопортландцемента, известково-шлаковых, гипсоизвестковошлаковых, сульфатношлаковых, шлакощелочных. Производство шлакопортландцемента, в котором доменный шлак используется в значительных объемах, в нашей стране в последние годы существенно снизилось по объемам в связи с возросшей потребностью в бездобавочных цементах. Производство портландцемента представляет собой весьма энергоемкий процесс, сопровождающийся высокими объемами выбросов углекислого газа в атмосферу. С ростом цен на энергоресурсы систематически растут цены на портландцемент и его разновидности.
В этих условиях актуальным становится развитие производства наиболее эффективных по технико-экономическим показателям и наименьшим объемам вредных выбросов в окружающую среду шлакощелочных (ШЩВ) и бетонов (ШЩБ) на их основе. Эта эффективность была доказана отечественными исследованиями в период 60-х - 80-х годов прошлого столетия школой Глуховского В.Д., НИИЖБ и другими. Была показана возможность производства ШЩВ как рядовых, так и специальных -высокопрочных, быстро- и особобыстротвердеющих, жаростойких, радиационностойких и других. Были разработаны нормативные документы на требования к сырью, свойства и технологию производства и применение ШЩВ и ШЩБ на их основе. Осваивалось производство ШЩВ и ШЩБ в Украине, Перми, Липецке, Туле, Омске. Была показана эффективность применения шлакощелочных бетонов для производства изделий и конструкций для гражданского и промышленного строительства.
К середине 80-х годов по ряду причин — отсутствие дефицита цемента, отдельные неудачи в применении, дефицит щелочного затворителя, повышенное высолообразование и др. - производство ШЩБ снизилось, а затем практически прекратилось. Снизились и объемы исследований по разработке ШЩВ и ШЩБ.
Повышенные требования по ресурсо-, энергосбережению, защите окружающей среды в строительной отрасли, в том числе в производстве
9 вяжущих веществ и бетонов приводят к необходимости наращивания исследований по разработке ШЩВ и ШЩБ и развития их производства. В последнее десятилетие получили развитие разработки композиционных вяжущих веществ, в том числе с использованием в качестве щелочных компонентов отходов различных отраслей промышленности. На базе достижений отечественной науки в этой области это направление получило развитие в других странах. В частности, Брандштетр И. [186] отмечает, что еще в 90-х годах прошлого столетия в Европе объем производства шлаковых, зольных, пуццолановых и специальных цементов достиг уровня объема производства бездобавочного портландцемента. Он же, формулируя в статье некоторые перспективы неорганических композиционных материалов XXI века, отмечает, что среди прочих ожидается значительный прогресс в использовании шлакощелочных бетонов.
Очевидно, что дальнейшее развитие науки и практики ШЩВ также будет идти в направлении разработок композиционных шлакощелочных вяжущих (КШЩВ). Тем более, что известными исследованиями показано, что в ШЩВ до 50 % шлака может быть заменено материалами природного и техногенного происхождения. Производство таких вяжущих особенно актуально для регионов, не имеющих собственного производства портландцемента, к которым относятся республики Татарстан, Чувашия, Удмуртия и некоторые другие области Российской Федерации. Одной из разновидностей многотоннажного отхода являются строительные отходы, в частности бой керамического кирпича, образующийся на кирпичных заводах и при сносе ветхих зданий.
В настоящей работе на основе анализа известных особенностей структурообразования и твердения шлакощелочных вяжущих с минеральными добавками в качестве рабочей гипотезы выдвинуто предположение о возможности получения композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича с повышенными физико-механическими свойствами.
Цель работы: Разработка составов композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича, растворов и бетонов на их основе и исследование их свойств.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
установление зависимости свойств шлакощелочных вяжущих от удельной поверхности и гранулометрического состава шлаков Челябинского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов;
исследование влияния добавок молотого боя керамического кирпича на свойства композиционного ШЩВ, свойства и структуру шлакощелочного камня, раствора и бетона на его основе;
определение оптимального содержания добавок кирпичного боя и способа совмещения компонентов в составе композиционного шлакощелочного вяжущего;
разработка рациональных составов бездобавочных и с добавками
молотого боя керамического кирпича шлакощелочных вяжущих и бетонов на их основе;
- разработка проекта технических условий на композиционные
шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического
кирпича.
Научная новизна работы:
1. На основе выявленных закономерностей и установленных зависимостей свойств вяжущих, растворов и бетонов от вида и удельной поверхности молотых гранулированных доменных шлаков Челябинского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов, вида затворителей и содержания молотого боя керамического кирпича разработаны нормально-, быстро- и осо бобы стротвердеющие композиционные шлакощелочные вяжущие марок до 1200 и бетоны на их основе классов по прочности до В80, по морозостойкости до
11 F800 и по водонепроницаемости до W25.
Установлены закономерности и зависимости изменения нормальной густоты и сроков схватывания шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича, а также средней плотности, водопоглощения, прочности и кинетики твердения камня, растворов, водопроницаемость и морозостойкость бетонов на их основе от тонкости помола вяжущего, вида шлака и щелочного затворителя.
Показано, что введение добавок молотого боя керамического кирпича приводит к повышению степени гидратации и образованию более плотной и однородной тонкозернистой структуры и повышению прочности камня шлакощелочного вяжущего.
Установлены зависимости гранулометрического состава и содержания поверхностных зарядовых центров алюмосиликатной составляющих на прочность и сроки схватывания камня шлакощелочных вяжущих.
Практическая значимость работы
разработаны рациональные составы бездобавочных и композиционных с добавками молотого боя керамического кирпича нормально-, быстро- и особобыстротвердеющих шлакощелочных вяжущих марок от М400 до М1200 и бетонов классов от В20 до В80;
разработан проект технических условий на композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического кирпича.
Апробация работы
Результаты проведенных исследований докладывались: на 55-57 Республиканских научно-технических конференциях (Казань - 2003-2005); на 5 Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Наука. Инновации. Бизнес" (Казань - 2005). Результаты проведенных исследований опубликованы в сборниках трудов: 55-57
12 Республиканских научно-технических конференций (Казань - 2003-2005); Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные вопросы строительства" (Саранск - 2003); V Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии" (Тула -2004); IIIV академических чтений РААСН «Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения» (Самара-2004); Международной научно-практической Интернет -конференции "Проблемы и достижения строительного материаловедения" (Белгород - 2005); 5 Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Наука. Инновации. Бизнес" (Казань -2005); II Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону "Бетон и железобетон - пути развития" (Москва - 2005); в Вестнике отделения строительных наук (Нижний Новгород. - 2004); в журнале Строительные материалы, (Москва - 2005, №3, №8).
Публикации
По результатам работы опубликовано 13 статей и тезисов докладов, поданы 2 заявки на выдачу патента на изобретения.
Работа выполнена в соответствии с планами фундаментальных и прикладных исследований отделения строительных наук РААСН
Автор защищает
- разработанные составы рядовых, высокопрочных, нормально-,
быстро- и особобыстротвердеющих бездобавочных и
композиционных шлакощелочных вяжущих, растворов и бетонов
с добавками молотого боя керамического кирпича с
повышенными эксплуатационными характеристиками на основе
нейтральных и кислых шлаков соответственно Орско-
Халиловского и Челябинского металлургических комбинатов.
- результаты исследований взаимосвязи удельной поверхности,
- гранулометрического состава и свойств шлакощелочных и
13 композиционных шлакощелочных вяжущих;
- результаты исследований влияния добавок молотого боя
керамического кирпича на свойства и структуру
композиционных шл акощел очных вяжущих и бетонов на кх
основе.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из 5 глав, приложений и списка литературы, включающей 186 наименований. Основная часть работы изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков и 42 таблицы.
Автор выражает благодарность за постоянное внимание и консультации члену корреспонденту РААСН, профессору Рахимову Равнлю Зуфаровичу.
