Введение к работе
Актуальность.
В последние годы строительная индустрия развивается быстрыми темпами. Только в 2012 году в России было сдано порядка 65,2 млн. м2 жилой площади. Соответственно растет необходимость в качественных современных строительных материалах, которые бы обладали необходимыми эксплуатационными характеристиками.
Особое место среди строительных композиционных материалов занимают мелкозернистые бетоны, объем потребления, которых в мире непрерывно увеличивается. Для строительства городов и поселков в условиях крайнего Севера и Арктики следует использовать мелкозернистые бетоны для возведения архитектурных ансамблей с учетом различных стилевых характеристик зданий, при строительстве многоуровневых дорожных развязок, автомобильных и железнодорожных мостов с увеличенной протяженностью пролетов.
Для повышения качества мелкозернистых бетонов необходимо управлять структурообразованием на нано-, микро- и макроуровне. Важнейшая роль при этом отведена нанодисперсным модификаторам, использование которых позволит получать бетоны нового поколения. Поэтому важным направлением работы является получение научных данных о системной взаимосвязи параметров структуры, свойствах наноразмерных частиц и использование этой информации при проектировании составов мелкозернистых бетонов.
Актуальной задачей для условий крайнего Севера и Арктики является использование промышленных отходов, складирование которых отражается на экологии региона.
Диссертационная работа выполнена в рамках Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 годы и внутривузовского гранта «Геоника. Предмет и задачи. Реализация в строительном материаловедении» на 2012-2014 гг.
Цель и задачи работы.
Повышение эффективности мелкозернистых бетонов за счет использования органоминерального нанодисперсного модификатора, полученного на основе сырьевых ресурсов Архангельской области.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучение сырьевых ресурсов Архангельской области;
- исследование процесса осветления сапонит-содержащей суспензии
оборотной воды при обогащении кимберлитовых руд и разработка способа
получения сапонит-содержащего сырья для органоминерального
нанодисперсного модификатора (OHM);
- разработка методики оптимизации состава OHM и ее экспериментальная
апробация при производстве высокопрочного мелкозернистого бетона;
- разработка нормативно-технической документации и внедрение
результатов исследования.
Научная новизна.
Предложены принципы повышения эффективности мелкозернистых бетонов за счет оптимизации процесса структурообразования путем использования органоминерального нанодисперсного модификатора на основе сапонит-содержащего отхода обогащения кимберлитовых руд алмазодобывающей промышленности, заключающиеся в его комплексном воздействии: пластифицировании на этапе приготовления бетонной смеси, регулировании флюидного состава и связывании СаО, вьщеляющегося при гидратации алита с образованием гидросиликата кальция второй генерации на этапе синтеза новообразования.
Установлен механизм очистки оборотной воды, накапливающейся при обогащении кимберлитовых руд, методом электролитной коагуляции, который основан на переводе высокодисперсных частиц в состояние, близкое к изоэлектрическому, что ведет к нарушению агрегативной устойчивости системы и быстрой седиментации сапонит-содержащего материала. Это позволило разработать способ вьщеления сапонит-содержащего сырья и технологию производства органоминерального нанодисперсного модификатора, улучшающего эксплуатационные характеристики мелкозернистого бетона, предназначенного для эксплуатации в условиях крайнего Севера и Арктики.
Установлен характер функциональной взаимосвязи между степенью измельчения компонентов модификатора, величиной изменения свободной поверхностной энергии и значением удельной поверхности частиц, при которой система характеризуется самопроизвольной конгломерацией зерен. Это позволило оптимизировать состав модификатора, который активирует процесс структурообразования в системе «клинкерные минералы-вода-модификатор-заполнитель».
Практическое значение работы.
-разработана технология производства органоминерального
нанодисперсного модификатора;
- разработаны составы высокопрочных бетонов для строительства в
условиях Севера
разработана технология вьщеления твердой сапонит-содержащей фазы -сырья для производства высокодисперсной добавки;
предложена методика определения свободной поверхностной энергии (поверхностного натяжения) высокодисперсных систем на основе горных пород;
разработан экспресс-способ и подана заявка на изобретение «Способ определения удельного сцепления сыпучего материла»;
- создано устройство для моделирования процесса осветления
технологической воды на предприятиях горнодобывающей промышленности.
Получен патент на полезную модель.
Внедрение результатов исследований.
Теоретические положения, полученные в данной работе, апробированы в промышленных условиях г. Архангельска на ОАО «Архангельск-ГражданРеконструкция» и ООО «Динамика».
Для широкомасштабного внедрения результатов научных исследований разработаны следующие нормативные документы:
стандарт организации СТО 02011820-003-20123 «Органоминеральный нанодисперсный модификатор. Технические условия»;
стандарт организации СТО 02011819-003-2013 «Бетоны мелкозернистые с использованием органоминерального нанодисперсного модификатора. Технические условия»;
- рекомендации по изготовлению и применению органоминерального
нанодисперсного модификатора;
- рекомендации по изготовлению и применению мелкозернистых бетонов
с использование органоминерального-нанодисперсного модификатора.
Теоретические положения и результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 270800.62 «Строительство» профиля «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» и магистров, обучающихся по направлению 270800.68 «Строительство» по программам подготовки «Строительство в северных климатических условиях» и «Теория и проектирование зданий и сооружений».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на: Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (г. Белгород, 2010); Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (г. Белгород, 2011), Международной научно-практической конференции «Современные тенденции в науке: новый взгляд» (г. Тамбов, 2011); Двадцать первом международном симпозиуме «Экология и безопасность. За чистый и безопасный мир» (г. Солнечный Берег, Болгария, 2012); Научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова, посвященной Дню российской науки (г. Архангельск, 2012); Международной конференции «Экологически чистые материалы - полимеры, сырьевые ресурсы и композиционные материалы» (г. Ганновер, Германия, 2013); Двадцать втором международном симпозиуме «Экология и безопасность» (г. Солнечный Берег, Болгария, 2013).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 19 научных публикациях, в том числе 7 статей опубликованы в центральных рецензируемых изданиях.
На защиту выносятся:
теоретические и практические аспекты повышения эффективности мелкозернистых бетонов за счет оптимизации процесса структурообразования органоминеральным нанодисперсным модификатором;
способ выделения сапонит-содержащего сырья из оборотной воды процесса обогащения кимберлитовых руд и технология производства OHM;
методика оптимизации состава OHM и результаты экспериментальных исследований на опытных образцах высокопрочного мелкозернистого бетона;
результаты внедрения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, включающего 38 таблиц, 65 рисунков и фотографий, список литературы из 176 наименования, 8 приложений.
