Введение к работе
Актуальность темы. Высокая стоимость многих видов природных ресурсов, производимой энергии, плохая экологическая обстановка наряду с большим объемом техногенных отходов и технологий обогащения рудных и нерудных пород поставило в ряд первостепенных и актуальных задач применение безотходных технологий, обеспечивающих сохранение чистоты окружающей среды, экономию энергоресурсов и уменьшение транспортных расходов в производстве строительных материалов.
Решение таких задач должно базироваться на использовании экологически чистых малоэнергоемких технологий с применением техногенных отходов, в частности, отходов камнедроблгния. Около 45% всех эксплуатируемых месторождений промышленности нерудных строительных материалов приходится на долю карбонатных пород. Из карбонатных порсд наибольшее применение в производстве портландцемента и извести находят кальциевые известняки. К сожалению, ни в СССР, ни в России доломитизировакные известняки и доломиты в отличие от западных стран практически не использовались для получения извести, за исключением каустического доломита, При добыче таких пород для дорожного строительства и для заполнителей для бетона образуется до 30-35% и более отсевов камнедробления с содержанием фракции 0-5 мм. При ис-, пользовании этих отходов в качестве дисперсных наполнителей или компонентов смешанного вяжущего такая зернистость значительно снижает энергоемкость помола.
В настоящее время особый интерес вызывают комбинированные вяжущие, составляющими которых могут быть самостоятельно твердеющие природные минералы, считавшиеся ранее в большинстве случаев инертными. Однако относительная инертность их в составе смешанного вяжущего на основе цемента или извести не определяет их малоактивного поведения в композиционных вяжущих, в частности, в шлаковых с реакционно-активными щелочными добавками. К таким минералам можно отнести доломиты и доломитизирован-ные известняки, используемые ранее исключительно в качестве наполнителей и заполнителей в композиционных материалах на основе цементных и полимерных вяжущих. Высокая химическая активность природных доломитов, в отличие от кальциевых известняков, при формировании прочности в композиции со шлаками в щелочной среде предопределяет протекание реакции бруситизации, роль которой при твердении вяжущих совершенно не изучена. Создание композиционных безобжиговых вяжущих на основе доломитов и доломиткзирован-ных известняков в смеси со шлаками позволит значительно расширить область использования карбонатных пород, что является актуальной задачей.
Цель и задачи исследований. Разработка активизированного доломи-тошлакового низкощелочного вяжущего, исходя из реакционной активности доломита в щелочной среде и создание на его основе композиционных строительных материалов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Установление реакционной активности доломитизированных карбонатных пород в щелочных средах на основании термодинамического, коли-
чественного и качественного химического анализов и выявление возможности образования самостоятельной твердеющей структуры в системе «доломит — щелочь».
-
Изучение влияния степени доломитизации карбонатных пород, количества и вида щелочи на кинетику реакционного процесса и выход основных продуктов реакции бруситизации в доломитощелочной системе.
-
Изучение процессов формирования прочности в системе «доломит — шлак — щелочь», исходя из реакционной активности доломитизированных карбонатных пород и шлака в щелочной среде.
-
Исследование влияния модифицирующих реакционно-активных оксидов Fe203, А1203 и аморфного Si02 на прочностные показатели доломитоще-лочных и доломитошлаковых вяжущих.
-
Разработка доломитошлаковых вяжущих и изучение их физико-механических свойств и бетонов на их основе.
Научная новизна работы:
-
Установлено, что карбонатные породы, содержащие MgC03, обладают высокой реакционной активностью в среде едких щелочей и способны формировать твердеющую структуру как самостоятельное воздушное вяжущее, в отличие от кальциевых известняков, так и гидравлическое композиционное вяжущее в составе доломитошлаковой композиции.
-
Разработаны схемы реакционных процессов в доломитошлакоще-лочной и кальцитошлакощелочной системах и впервые установлена принципиальная разница в их механизмах. Показано, что в кальцитошлакощелочной системе реакционный процесс образования твердеющей системы обусловлен взаимодействием шлака с водой и щелочью, а в доломитошлакощелочной системе развиваются два конкурирующих реакционных процесса: не только взаимодействие шлака, но и карбоната магния MgC03 карбонатной породы со щелочью. Последняя реакция является реакцией автокаустификации соды гидролизной известью шлака с постоянной возобновляемой регенерацией щелочи. Определены факторы, влияющие на кинетику реакционных процессов и формирование прочности в этих системах.
-
Изучена возможность протекания термодинамически обусловленных реакций образования гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроферритов магния в результате химического взаимодействия Mg(OH)2 с оксидами кремния, алюминия и железа в щелочной среде как в чистой системе «Mg(OH)2-NaOH», так и в составе доломитощелочной и доломитошлакощелочной композиции. Проведена оценка влияния гидратных новообразований на прочностные показатели данных систем. Выявлена высокая активность микрокремнезема в доломитошлаковом вяжущем.
-
Доказана возможность получения активизатора твердения для до-ломитошлакового вяжущего путем низкотемпературного обжига химически активированного щелочью доломита и установлено высокое активирующее влияние мягкообожженого оксида магния на твердение композиционного вяжущего.
Практическое значение.
На основе проведенных исследований разработаны композиты на основе доломитошлакового вяжущего, обладающие высокими физико-механическими характеристиками, которые могут использоваться в качестве стеновых материалов, отделочных плиток, декоративных сплилерных камней. Разработана технологическая схема производства, подсчитан экономический эффект от внедрения нового материала. Экономия достигается за счет использования дешевых сырьевых материалов - отходов камнедробления доломитизированных известняков, сокращения щелочного активизатора до 2-3% и исключения из технологической схемы производства сложных операций.
Методические материалы используются в учебном процессе при обучении студентов специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» в ПГУАС.
Реализация работы. Полученные доломитощелочные и доломитошлчко-щелочные вяжущие используются в качестве связующего для изготовления стеновых камней, напольных и отделочных плиток с утилизацией отходов камнедробления доломитов и доломитизированных известняков, что подтверждено соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза 2002, 2003, 2004); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы строительного материаловедения. Первые Соломатовские чтения» (Саранск, 2002); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 2003); Восьмых академических чтениях РААСН. «Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения» (Самара, 2004); в сборнике научных статей, посвященных 100-летию со дня рождения Боженова П.И. «Достижения строительного материаловедения» (Санкт-Петербург, 2004). II Международном студенческом форуме «Образование, наука, производство» (Белгород 2004); на научно-технической конференции «Студенческая наука - интеллектуальный потенциал XXI века» (Пенза, 2005).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 13 статей и тезисов докладов.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6-ти глав, списка использованных источников из 128 наименований и приложения, содержит 154 страниц машинописного текста, 24 рисунка, 31 таблица.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному консультанту кандидату химических наук, доценту Хасковой Т.Н., к.т.н., доценту Хвастунову В.Л. и к.т.н., доценту Проскурину В.Л.
