Введение к работе
Актуальность работы. В мире ежегодно добывается более 100 млрд т рудных ископаемых Из этого количества сырья в настоящее время извлекается 2 % металлов, 98 % сопутствующих минеральных пород направляется в отвалы. При этом большинство из этих огходов находится в тонкодисперсном виде с максимальным размером частиц менее 70-100 мкм Проблема превращения этих тонкодисперсных пород в вяжущее не решена, хотя порошкообразные породы технически полностью подготовлены к контактно-конденсационному отвердеванию Но до настоящего времени не известны способы химического воздействия и наиболее эффективные активизирующие модифицирующие добавки для получения вяжущих из молотых горных пород
В свою очередь, для получения 2,5 млрд т портландцемента в мире измельчается и спекается при температуре 1500 С 3,5-3,7 млрд т сырьевых материалов с последующим помолом прочного цементного клинкера. Цемент является высокоэффективным конструкционным вяжущим, а используют его нерационально, часто в малопрочных растворных смесях с маркой 50 150, в самонесущих стеновых ограждающих изделиях, в элементах заборов и т п Взамен цементу должно быть найдено безобжиговое, менее энергоёмкое и ресурсосберегающее вяжущее из отходов - тонкодисперсных горных пород и отсевов кам-недробления, которых в России накопилось более 6 млрд т.
На территории Пензенской области балансовыми запасами строительного камня (песчаника) по состоянию на 1 01 2000 г учтены 19 месторождений с суммарными запасами 119040 тыс м3 по категориям A+B+Q и 2130 тыс м3 по категории С2 Разрабатываемыми числятся 12 месторождений с запасами 113391 тыс м3 по категории А+В+С] и 1104 тыс м3 по категории С2 Семь месторождений песчаников находится в Государственном резерве Такие крупномасштабные залежи песчаника, свойственны многим регионам России и являются предпосылкой для разработок новых видов вяжущих с использованием местных запасов силицитового сырья
Создание новых безобжиговых видов геосинтетических вяжущих из горных пород, отверждаемых химическим синтезом, позволит снять проблему дефицита цемента во многих регионах России
В связи с этим, диссертационная работа является актуальной не только потому, что дает возможность заменить цемент в тех сферах производства, где технически, экономически и экологически это оправдано и целесообразно, но и определяет приоритеты России в разработке новых видов вяжущих из горных пород Подтверждением актуальности темы являются прошедшие за последние 6 лет три конференции по геосинтетическим материалам в Австралии, Франции и Канаде
Цель п задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методологии получения новых геосинтетических и геошлаковых композиционных материалов и изучение их технических свойств
Для выполнения поставленной цели необходимо было решить ряд частных задач-
> Проанализировать совокупность физико-химических методов активации осадочных горных пород, обеспечивающих создание геосинтетических вяжущих, установить и обосновать механизм их твердения.
Изучить закономерности формирования прочности водостойких геосинтетических вяжущих из силицитовых пород, активизированных малым количеством щелочи, в нормально-влажностных условиях твердения и при различных способах термоактивации
Разработать методы модификации геосинтетических вяжущих добавками, связывающими свободную кремнекислоту, с целью повышения их длительной водостойкости и расширения сферы применения силицитовых материалов в строительстве
Разработать экспресс-метод оценки и прогноза длительной водостойкости геосинтетических вяжущих
Изучить физико-технические и эксплуатационные свойства геосинтетических, геошлаковых вяжущих и бетонов на их основе
Научная новизна работы состоит в следующем
Научно обоснованы и экспериментально подтверждены методологические принципы получения безобжиговых геосинтетических и геошлаковых вяжущих из распространенных в различных регионах кремнеземисто-кварцевых и кремнеземисто-глауконитовых песчаников Показано, что совокупность методов механической, химической и термохимической активации горных пород позволяет получить из них в стесненных условиях при прессовании и вибропрессовании прочный искусственный камень Песчаники, представляющие собой микрокристаллический и тонковолокнистый кварц, сцементированный опал-тридимитовым и опал-кристобалитовым кремнеземом Si02, в присутствии 6-7 % щелочи NaOH образуют твердеющие системы с прочностью при нормальных условиях твердения 30-50 МПа, а при тепловой обработке - до 200 МПа за счет образования кремнекислоты.
Установлен 5-образный характер набора прочности в естественных условиях твердения с характерными периодами индукции, ускорения и замедления роста прочности Длительность индукционного периода продолжается 10-12 суток
Установлено, что при тепловлажностной обработке до 100 С и сухом прогреве при температурах 100-330 С прочность возрастает до 100-200 МПа Синтез новообразований в геосинтетической и геошлаковой композициях в сухих температурных условиях обеспечивается особыми коллигативными свойствами раствора NaOH высокой температурой кипения (150 С и выше) насыщенного раствора в межчастичном пространстве с образованием продуктов растворения и их цементирования При длительном нахождении в водных условиях через 15-30 суток экспонирования высокопрочные материалы из геосинтетического вяжущего подвержены саморазрушению в результате выделения и набухания кремнекислоты
Выявлены способы модификации песчаников модифицирующими добавками для получения водостойких новообразований, установлено, что связывание кремнекислоты модифицирующими добавками гидроксида алюминия и (или) гранулированного молотого доменного шлака с модулем основности 1 1,2 в количестве 15-20 % в совокупности с добавкой NaOH приводит к получению водостойких вяжущих
Показано, что процесс связывания свободной кремнекислоти может быть осуществлен некоторыми тонкодисперсными горными породами вулканического происхождения При замещении песчаников равной весовой долей дацита прочностные показатели снижаются на 30-40 %, но геосинтетический композит становится длительно водостойким
Разработан экспресс-метод оценки длительной водостойкости геосинтетических вяжущих из песчаников путем кипячения образцов в воде Он дает возможность с высокой степенью надёжности судить о длительной водостойкости строительных материалов, а также возможность поиска модифицирующих добавок для повышения водостойкости геосинтетических материалов из горных пород, отверждаемых путем направленного химического синтеза.
Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивается проведением экспериментов с необходимым количеством повторных испытаний на поверенном оборудовании; применением метода математического планирования эксперимента, использованием современных методов анализа структуры рентгеноструктурного и электронно-микроскопического Доказательность экспериментальных результатов и методологического подхода подтверждена оригинальными и независимыми методами испытаний для оценки прогноза длительной водостойкости
Практическое значение работы.
Показана возможность и перспективность получения малоэнергоёмких, ресурсосберегающих безобжиговых вяжущих и материалов на их основе с использованием кремнеземсодержащих отходов камнедробления горных пород осадочного происхождения, способных заменить цементные строительные материалы в отдельных областях строительства
Разработана рецептура геосинтетических вяжущих на основе песчаников, активизированных щёлочью NaOH и модифицированных добавками и горными породами С использованием этих вяжущих получены песчанистые прессованные и щебеночные вибропрессованные бетоны с прочностью 20-60 МПа, морозостойкостью до 200 циклов, усадкой не более 0,4 „0,8 мм/м
Разработаны варианты технологической схемы производства геосинтетических и геошлаковых композиционных строительных материалов. Результаты исследования позволяют решать задачи замены цемента в производстве строительных материалов и изделий, вовлечения в стройиндустрию местного сырья и отсевов камнедробления, решать проблемы экологии
Внедрение результатов. Разработанные вяжущие апробированы при изготовлении стеновых блоков на предприятиях ООО «Строительные материалы», ООО «Волга - Стройтрейдинг» Выпущены опытно-промышленные партии блоков на основе этих вяжущих (подтверждено актами внедрения, оформленными в установленном порядке)
Методические разработки и результаты исследований использованы в учебном процессе по специальности 270106 - «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», в курсе лекций и лабораторных работ по дисциплине «Вяжущие вещества», при постановке УИРС и выполнении магистерских диссертаций (внедрение в учебный процесс подтверждено соответствующим актом внедрения)
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях Международных научно-технических конференциях1 «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов» (Пенза, 2005); «Композиционные строительные материалы Теория и практика» (Пенза, 2006, 2007), «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2004), VI Всероссийской научно-технической конференции «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии народного хозяйства (промышленность, транспорт, сельское хозяйство)» (Пенза, 2006), Десятые академические чтения РААСН «Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения» (Пенза - Казань, 2006); научно-технический и производственный журнал «Строительные материалы» (Москва, 2006), Известия Тульского государственного университета серии «Строительные материалы, конструкции и сооружения» (Тула, 2006), информационный научно-технический журнал «Строительные материалы XXI века» (Москва, 2007), Вестник отделения строительных наук. РААСН (Курск, 2007)
Публикация. Основные положения диссертации отражены в 14 опубликованных работах, в т ч 2 статьи опубликованы в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определенных ВАК РФ
Автор защищает:
методологические принципы получения безобжиговых геосинтетических и геошлаковых композиционных строительных материалов из кремне-земисто-кварцевых и кремнеземисто-глауконитовых песчаников с использованием совокупности методов механической, химической и термохимической активации и модифицирующих добавок,
теоретические и технологические основы получения высокопрочного силицитового геосинтетического камня,
экспресс-метод оценки длительной водостойкости геосинтетических и геошлаковых композиционных строительных материалов, что позволит прогнозировать длительную водостойкость при длительной эксплуатации материала в воде,
результаты исследований физико-механических и эксплуатационных свойств новых геосинтетических и геошлаковых композиционных строительных материалов,
технологию получения геосинтетических и геошлаковых композиционных строительных материалов как методом полусухого прессования, так и вибропрессования
Структура и объём работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, приложений и списка используемой литературы из 130 наименований, изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка, 31 таблицу
Автор выражает глубокую благодарность за ценные консультации при выполнении диссертационной работы к.т н проф В А Худякову и к.т.н доц А В Гречишкину
