Введение к работе
Актуальность работы
Перспектива развития промышленности строительных материалов и конструкции на период до 2020 года предполагает увеличение потребности строительной индустрии в сырьевых ресурсах в 5-7 раз. В связи с этим резко возрастает значение местных сырьевых ресурсов, часто не использующихся или использующихся в недостаточной степени.
Ориентация строительной индустрии с середины прошлого века, в основном, на цемент привела к перекосу продукции промышленности вяжущих материалов. Например, не производятся и практически забыты такие гидравлические вяжущие, как гидравлическая известь и романцемент, относящиеся к группе низкообжиговых гидравлических вяжущих, поскольку получаются при температурах, не приводящих к спеканию обжигаемых материалов.
В действующих на сегодняшний день отечественных нормах вообще отсутствует упоминание о романцементе. Отдельные сведения имеются только в учебной и научной литературе.
Романцемент и гидравлическая известь могут быть альтернативой цементу по энергоемкости и металлоемкости производства, экологии, стоимости, особенно в регионах, где производство цемента отсутствует или имеет место его дефицит, а также на 5-7% снизить цементоемкость строительства.
Они могут успешно применяться для производства сухих строительных смесей, низкомарочных растворов и бетонов, потребность которых составляет около 30 млн. м3/год, и других строительных материалов. Недостатком романцемента и гидравлической извести является их невысокая прочность, а сдерживающим моментом в развитии производства является доломитизация карбонатного сырья. Более 60% всех разведанных месторождений известняков РФ являются магнезиальными и не пользуются спросом для получения вяжущих веществ.
Одним из перспективных путей, ведущих к повышению технических свойств гидравлической извести и романцемента, полученных на основе местного карбонатно-глинистого сырья с повышенным содержанием MgO, является оптимизация режима обжига сырья и последующая модификация вяжущих индивидуальными и комплексными химическими и минеральными добавками. Оптимизация режима обжига способствует увеличению количества гидравлически активных минералов и нейтрализации негативного влияния MgO, а введение химических и минеральных добавок – повышению прочности и других технических показателей.
Учитывая вышеизложенное, задача получения модифицированных гидравлических вяжущих на основе карбонатно-глинистого сырья с повышенным содержанием MgO весьма своевременна и актуальна.
Целью работы является получение и исследование низкообжиговых модифицированных гидравлических вяжущих веществ повышенной прочности и водостойкости на основе карбонатно-глинистого магнийсодержащего минерального сырья, химических и минеральных добавок.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
-
обосновать выбор сырья и добавок для получения вяжущих - роман-цемента и гидравлической извести;
-
выявить эффективность использования для получения романцемента и гидравлической извести искусственных карбонатно-глинистых сырьевых смесей с содержанием MgO до 21%, а также возможность регулирования свойств вяжущих изменением параметров обжига;
-
определить режим обжига, обеспечивающий максимальный выход гидравлически активных минералов и позволяющий получать гидравлическую известь и романцемент с показателями физико-механических свойств, превышающими показатели известных аналогов;
-
установить возможность повышения физико-механических характеристик романцемента и гидравлической извести введением химических и минеральных добавок, установить состав комплексной добавки на основе укорителя твердения, пластификатора и наполнителя;
5)разработать составы бетонов и сухих строительных смесей на основе-полученных низкообжиговых модифицированных гидравлических вяжущих.
Рабочей гипотезой является тезис о том, что низкотемпературный синтез C2S в составе других компонентов обеспечит повышенную прочность низкообжиговых гидравлических вяжущих по сравнению с имеющимися аналогами, в том числе, за счет предотвращения перехода C2S в C2S путем его стабилизации оксидом магния, содержащемся в карбонатном сырье в количестве до 21%. Эффект повышения прочности усилится при введении в вяжущее ускорителя твердения, пластификатора и кремнеземистой добавки.
Научная новизна работы
1.Впервые доказана возможность получения на доломитизированном карбонатном сырье с содержанием MgO до 21% гидравлической извести и романцемента, с единым механизмом гидратационно-временной активности за счет сохранения активности MgO на уровне СаО и гидравлических минералов. Последнее достигается температурно-временной реализацией двух конкурирующих процессов при обжиге сырья - процесса разложения доломита и процесса снижения активности MgO. При обжиге в температурном интервале 750 - 850 0С в течение 2,5 – 3,5 часов MgO выделяется полностью и находится в активной форме.
2. Выявлены закономерности и установлены зависимости повышения
прочности гидравлической извести и романцемента от режима обжига кар
бонатно-глинистого сырья с содержанием MgO в карбонатной части до 21%.
Установлены оптимальные параметры обжига сырья, обеспечивающие выход
гидравлической извести и романцемента с прочностью 13 и 23 МПа, а имен
но, мягкий обжиг в интервале температур 850-9500С с изотермической вы
держкой в течение 240-300 мин.
3. Установлено, что MgO, находящийся в составе карбонатной части сы
рья в количестве до 21%, способствует стабилизации C2S и предотвращает
спонтанный переход C2S в C2S, тем самым обеспечивая рост прочности вяжущего.
4. Впервые установлено, что введение в низкообжиговые гидравлические вяжущие химических и минеральных добавок – формиата кальция, пластификатора Melflux 2641 и цеолитсодержащей породы при соотношении 1:0,0625:0,01875:0,1625, обеспечивает повышение прочности романцемента до 35 МПа и гидравлической извести до 25 МПа, за счет снижения водопо-требности, повышения пластичности, ускорения процесса твердения в начальный период, увеличения степени гидратации минералов и повышения объема гидратных новообразований, за счет химического взаимодействия алюмосиликатных фаз цеолитсодержащей породы с Са(ОН)2.
Практическая значимость работы
Получены модифицированные гидравлические вяжущие марок 300, 200 и 100 с коэффициентом размягчения 0,98, что превышает показатели известных аналогов.
На основе модифицированных вяжущих разработаны составы сухих строительных смесей, растворов и бетонов прочностью до 25 МПа и морозостойкостью до F50.
Разработан проект технических условий на модифицированные гидравлические вяжущие и проект технологического регламента на их производство.
На состав модифицированного гидравлического вяжущего подана заявка на изобретение «Бесклинкерное вяжущее» № 2013121853 от 13.05.2013.
На защиту выносятся:
результаты исследований влияния параметров обжига и содержания MgO на состав и свойства гидравлической извести и романцемента;
результаты исследования влияния органических и минеральных добавок на технические показатели гидравлической извести и романцемента;
- составы модифицированного гидравлического вяжущего на основе
гидравлической извести и романцемента с комплексной добавкой;
- составы и свойства бетонов, растворов и ССС на основе модифициро
ванных гидравлических вяжущих;
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях КГАСУ (Казань, 2011-2013), на Международной конференции «Оценка рисков и безопасность в строительстве. Новое качество и надежность строительных материалов и конструкций на основе высоких технологий» (2012 г. Москва), на II международной научно-практической конференции «Фундаментальная наука и технологии - перспективные разработки» (2013 г. Москва).
Публикации
Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 10 научных публикациях, включая 5 научных статей в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданиях ВАК РФ.
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованных источников из 141 наименований. Работа содержит 177 страниц машинописного текста, 63 таблицы, 56 рисунков, 6 приложений.
Автор диссертации выражает благодарность научному консультанту д.т.н. проф. Рахимову Р.З., а также сотрудникам кафедр «Строительных материалов» КазГСУ, «Минералогии и литологии» Института геологии и нефтегазовых технологий КФУ, ФГУП «ЦНИИГеолнеруд» за оказанное содействие при выполнении работы.