Повышение эффективности механо-химической активации цементных композиций в жидкой среде Плотников Валерий Викторович

Содержание к диссертации

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С

ВЫСОКИМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ

1. 1. Влияние различных факторов и методов активации на процессы

   гидратации и структурообразования цементных композиций

   1. 1. 1. Влияние дисперсности цемента и его химико-минералогического состава на физико-механические свойства цементного камня

         2. Влияние способа измельчения на активность цемента

         3. Методы активации и модифицирования цемента в жидкой среде

         4. Устройства для домола и активации цемента в жидкой среде

         5. Направления исследований для повышения эффективности высоко дисперсных цементных композиций

         Теоретические аспекты повышения эффективности механо-

         химической активации и управления сруктурообразованием и

         свойствами цементных композиций

         1. 2. 1. Аналитическое исследование роторно-пульсационного аппарата (РПА)

               2. Процессы, определяющие эффективность механо-хими- ческой активации цементных композиций в жидкой среде

               3. Теоретические аспекты управления структурообразова- нием вяжущих дисперсных систем

                  1. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

                     1. Характеристика используемых материалов

                     2. Установки для активации и модифицирования цементных композиций в жидкой среде с использованием роторно- пульсационных аппаратов 122

                     1. 1. 1. 2. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ КЛИНКЕРНЫХ МИНЕРАЛОВ

                                 И ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА 135

                                 1. 1. 1. 2. 4. Влияние активированных кристаллогидратов на процессы твердения цемента 143

                                             2. Модифицирование цемента активированными кристаллогидратами на основе нефелинового шлама 223

                                          3. ПРИМЕНЕНИЕ АКТИВИРОВАННЫХ ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ... 323

                                             1. Основные направления использования активированных цементных композиций в строительной отрасли 323

                                             2. 2. Строительно-технические свойства ячеистых и легких бетонов и их использование при устройстве ограждающих конструкций 337

                        ВЫВОДЫ 369

                        ПРИЛОЖЕНИЯ 386

                        Введение к работе

                        Наряду с появлением новых эффективных материалов и конструкций бетон продолжает сохранять одно из ведущих мест в строительстве. С каждым годом возрастает разнообразие видов бетонов, вяжущих композиций, технологических приемов производства сборного и монолитного железобетона. Очевиден быстрый переход от привычных экстенсивных методов к интенсивным технологиям, позволяющим наряду с резким ускорением технологических процессов сократить ресурсозатраты на получение композиционных материалов с заданными свойствами.

                        В связи с ежегодным удорожанием энергоносителей во всём мире предпринимаются огромные усилия на поиск путей и технологических приёмов снижения энергозатрат на производство цемента и бетона. Весомым резервом для снижения стоимости конечного продукта является эффективное использование менее энергоёмких вторичных продуктов и техногенных отходов взамен части клинкера или составляющих бетона. Интенсивное использование при производстве бетонов и растворов этих побочных продуктов, которые можно считать потенциальными ресурсами дополнительного цементирующего материала, не только расширяет области применения цемента и решает проблемы утилизации отходов, но также придаёт бетону специальные ценные свойства, которые труднодостижимы на основе чистоклинкерного портландцемента. Это относится к специальным видам бетона: электропроводным, жаростойким, высокопрочным, радиоизолирующим, радиопроницаемым, полимерным, кислотостойким, напрягающим и т.д. Однако, использование вторичных цементирующих материалов в бетоне не лишено определённых проблем и побочных эффектов. Одна из главных проблем - однородность состава самих этих материалов и получение однородной структуры конечных продуктов. Кроме того, важно при использовании вторичных цементирующих материалов повысить эффективность их применения путём дополнительной предварительной обработки (активации), выбора технологии приготовления смесей, режимов формования и твердения бетона.

                        Актуальность проблемы. В настоящее время в мире наметилась явная тенденция широкого использования вяжущих композиций из тонкоизмельчен- ных цементов (Буд до 1000 м /кг) и ультрадисперсных композиций (Буд до 25 м²/г по БЭТ), получаемых путем их сухого измельчения в традиционных помольных агрегатах. Однако данный метод имеет ряд проблем, главными из которых являются высокие энергозатраты на достижение заданной дисперсности цементов, потеря ими приобретенной активности при хранении и перевозках, технологические трудности получения высокооднородных смесей с включением малых количеств модификаторов ультрадисперсных отходов в процессе их приготовления в стандартных смесителях. Получение высокодисперсных и однородных композиций может быть достигнуто путем мокрого помола компонентов или их активации в жидкой среде в специальных аппаратах. Эти методы могут составить альтернативу сухому методу измельчения материалов вследствие более высокой эффективности по ряду показателей.

                        Однако, технологии, предусматривающие мокрый домол и активацию компонентов в жидкой среде, пока не получили широкого применения в связи с неприспособленностью стандартного оборудования для этих целей, а также с недостаточным изучением процессов, происходящих при измельчении и активации цементов и наполнителей в жидкой среде, их влияния на реологию, структурообразование и конечные свойства вяжущих систем. Отсутствуют данные по кинетике изменения удельной поверхности, гранулометрического состава и морфологии частиц, физико-химическим явлениям на поверхности раздела фаз и в пограничных слоях, гидратации отдельных клинкерных минералов и специальных цементов в гидродинамических режимах, влиянию микродисперсных добавок, модификаторов и образующихся в процессе активации гидратов на процессы структурообразования и твердения вяжущих систем.

                        Разработка научно-обоснованных технических и технологических решений, направленных на повышение эффективности механо-химической активации портландцемента, специальных цементов и вяжущих композиций путем их модифицирования в процессе интенсивных физико-химических воздействий в жидкой среде для целенаправленного формирования заданных свойств композиционных материалов является актуальной.

                        Работа выполнялась в соответствии с комплексной программой "Строй- прогресс-2000".

                        Цель диссертационной работы. Основной целью работы является разработка интенсивной ресурсосберегающей технологии получения композиционных материалов с высокими эксплуатационными свойствами на основе различных видов цементов и вяжущих, модифицированных в процессе механо- химической активации в жидкой среде для целенаправленного их структурооб- разования.

                        Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач: научно обосновать возможность повышения качества и снижения затрат на получение цементных композиций путем предварительной активации и модифицирования их компонентов в жидкой среде; разработать интенсивную ресурсосберегающую технологию и научно- обоснованные рекомендации получения плотных и пористых строительных материалов и изделий различного назначения на основе активированных цементных композиций.

                        Методы исследования. Физико-механические характеристики цементов, композиционных вяжущих и бетонов определялись по стандартным методикам.

                        Измерение удельной поверхности обезвоженного и высушенного цемента по специальной методике, проводилось методом воздухопроницаемости (прибор АДП) и методом низкотемпературной адсорбции азота (БЭТ).

                        Гранулометрический состав цемента и вяжущих композиций исследовался на фотоседиментографе "ЬитоБесГ фирмы (Германия), а также ситовым анализом методом сухого и мокрого просева и седиментацией.

                        Исследование состава жидкой фазы, степени гидратации, фазового состава продуктов гидратации цементов и вяжущих композиций проводилось методами химического, рентгенофазового, дифференциально-термического анализов, ИК- спектроскопии и электронной микроскопии.

                        Дзета-потенциалы вяжущих композиций измерялись методом электрофореза на дзетаметре фирмы "Дзетаметр ИНК" (США).

                        Пористость определялась на ртутной порометрической установке П-ЗМ на поромере высокого давления.

                        Степень полимеризации кремнекислородных анионов определялась мо- либдатным методом.

                        Достоверность научных результатов и выводов, полученных в диссертации, обеспечена экспериментами и исследованиями, выполненными на аттестованном оборудовании и приборах, и использованием опробованных научной практикой методов исследования и статистической обработки полученных данных.

                        Научная новизна работы. Разработаны теоретические положения целенаправленного структурообразования и повышения эксплуатационных свойств цементных композиций путем их модифицирования интенсивными физико- химическими воздействиями в жидкой среде в условиях высокоимпульсной гидродинамической активации; - выявлены закономерности изменения удельной поверхности и гранулометрического состава цементов, вяжущих и их компонентов при измельчении и активации в жидкой среде в аппаратах с высокой энергонапряженностью в ра 1 бочей зоне (3-5 МВт/м ) и установлено значительное снижение энергозатрат на достижение их высокой дисперсности по сравнению с сухим и мокрым помог лом в шаровых мельницах и вибромельницах; - установлено значительное повышение реакционной способности специальных цементов и отдельных клинкерных минералов в условиях механо- химической активации (95-и процентная гидратация С₃8 за 4,5 часа, р-С₂3 в составе нефелинового шлама за 7,5 часов, С₄АР за 15 мин. и СзА за 1 мин) и выявлены закономерности структурообразования и роста прочности цементных композиций в зависимости от вида и количества образующихся или введенных активированных кристаллогидратов; показано, что пересыщение водного раствора ионами еще в процессе обработки цементного теста и образование активированных гидратных комплексов способствуют повышению степени полимеризации кремнекислородных анионов при гидратации Сз8, (З-СгЗ в составе нефелинового шлама и цемента в условиях механо-химической активации в жидкой среде до уровня полисиликатов. Полученные активированные кристаллогидраты с высокой степенью полимеризации кремнекислородных анионов способствуют образованию на ранних стадиях гидратации устойчивых к перекристаллизации гидратных фаз с прочными контактами, которые синтезируют высокопрочную структуру цементных композиций; установлено, что механо-химическая активация в жидкой среде напрягающих цементов, цементов с повышенным содержанием М^О (до 7%), шлако- щелочных вяжущих со специальными добавками позволяет получать безусадочные бетоны с высокими прочностными показателями и регулируемым расширением во времени; установлено, что высокодисперсные активированные кристаллогидраты с удельной поверхностью до 100 м /г, образовавшиеся в процессе активации нефелинового шлама, значительно повышают его контактно-конденсационные свойства и позволяют получать высокопрочные бесклинкерные композиционные вяжущие контактного твердения; показана возможность получения сверхбыстротвердеющих цементных композиций (набирающих марочную прочность в течение 2-5-и часов) путем их механо-химической активации в жидкой среде с повышенным содержанием суперпластификаторов (4-6 %) и активированных кристаллогидратов; - выявлена зависимость строительно-технических свойств (прочности, морозостойкости, сульфатостойкости, электропроводности, теплопроводности) цементных композиций различного вида от степени активации компонентов, от условий твердения, вида модификаторов и установлена возможность снижения расхода цемента, уменьшения температуры и времени термовлажностной обработки, давления прессования для достижения равнозначных показателей свойств;

                        Практическая ценность работы. Разработаны практические рекомендации по снижению энергозатрат на домол цемента, повышению эффективности использования отходов и вторичных ресурсов.

                        Предложенный способ модифицирования вяжущих гидратационного и контактного твердения в процессе механо-химической активации для формирования заданной структуры и свойств композиционных материалов лёг в основу интенсивных ресурсосберегающих технологий производства специальных работ и получения различных видов бетонов и изделий на его основе.

                        Разработаны оптимальные составы и технологические режимы получения специальных цементных композиций с заданными свойствами. Реализация предложенных разработок позволяет снизить расход цемента, энерго- и топли- возатраты при возведении ограждающих и несущих конструкций зданий и производстве изделий из модифицированных цементных композиций.

                        Достигнуто снижение стоимости и трудоемкости возведения стен и перекрытий жилых зданий на 20-30% при одновременном повышении их теплоизоляционных свойств до 2-3-х раз по сравнению с существующими ограждающими конструкциями.

                        Реализация результатов работы. В результате выполнения комплекса теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских работ изготовлены мобильные и стационарные установки и разработаны технологические режимы получения различных видов бетонов и композиционных материалов с заданными свойствами. Их использование позволило значительно улучшить теплоизоляционные и радиационно-защитные свойства многослойных ограждающих конструкций при возведении жилых зданий невысокой этажности (АО МПМК-2, г.Клинцы), увеличить прочность и водонепроницаемость монолитного бетона при возведении многоэтажных жилых зданий (АО "Монолитстрой", г.Брянск), создать быстротвердеющие безусадочные бетоны и полимерцемент- ные растворы для заделки стыков крупнопанельных жилых зданий (ОАО "Про- ектно-строительно-промышленное объединение", г.Дятьково), повысить эффективность использования промышленных отходов и вторичных продуктов в строительной индустрии (заводы ЖБИ), повысить технико-эксплуатационные свойства электропроводных бетонов (АО "Промтехмонтаж"), улучшить качество торкрета для отделки фасадов зданий (СПФ "Паритет", АО "Строитель").

                        На этапе внедрения интенсивной ресурсосберегающей технологии разработанные технологические карты на производство работ с использованием активаторов-смесителей для приготовления модификаторов и получения композиционных материалов с заданными свойствами приняты к широкому использованию рядом строительных организаций.

                        Полученные в работе результаты внедрены также в учебный процесс Брянской государственной инженерно-технологической академии для студентов строительных специальностей 290300 "ПГС", 290500 ТСХ".

                        Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на 50 конференциях общероссийского и международного уровня, в том числе: Всесоюзной научно-технической конференции "Теория, производство и применение искусственных строительных конгломератов" (г.Владимир, 1982 г.), Всесоюзном научно-практическом семинаре по интенсификации технологических процессов'производства цемента (г.Краснодар, 1984 г.), Всесоюзной научно- технической конференции "Теория, производство и применение строительных конгломератов в водохозяйственном строительстве" (г.Ташкент, 1985 г.), Рес- публиканской конференции по физ-химии дисперсных систем (г.Киев, 1985 г.), Всесоюзной конференции по утилизации и использованию промышленных отходов и вторичных ресурсов (г.Таллинн, 1986 г.), Всесоюзной конференции по гидратации и структурообразованию цементов, полученных на основе отходов промышленности (г.Чимкент, 1986 г.), Республиканской конференции "Пути ресурсосбережения в производстве строительных материалов и изделий" (г.Пенза, 1986 г.), 7-ой Всесоюзной научно-технической конференции по химии и технологии цемента (г.Черкесск, 1988 г.), Международном съезде по строительным материалам и силикатам (г.Веймар, ГДР, 1988 г.), Региональном научно-техническом семинаре "Пути экономии цемента при производстве бетонных и железобетонных изделий (г.Челябинск, 1989 г.), XV Международной конференции силикатной промышленности и науки о силикатах (г.Будапешт, 1989 г.), Зональной научно-технической конференции "Теория и практика применения суперпластификаторов в бетоне" (г.Пенза, 1991 г.), XI Межгосударственной научно-практической конференции "Методы исследования, паспортизации и переработки отходов" (г. Пенза, 1994 г.), Международной научно-практической конференции "Совершенствование строительных материалов, технологий и методов расчета конструкций в новых экономических условиях" (г.Сумы, 1994 г.), Международном научно-техническом семинаре "Совершенствование качества в строительном комплексе" (г, Брянск, 1999 г.)

                        Публикации. По материалам диссертации опубликовано 118 печатных работ и издано 2 монографии.

                        На защиту выносятся: - теоретические положения модифицирования цементных композиций в процессе механо-химической активации в жидкой среде; - закономерности, происходящие при измельчении и активации в жидкой среде цементов, многокомпонентных вяжущих и промышленных отходов; - закономерности, происходящие при гидратации отдельных клинкерных минералов, портландцемента, специальных цементов и бесклинкерных вяжущих композиций в условиях интенсивных физико-химических воздействий; зависимости технологических свойств активированных суспензий, цементного теста и композиций от режимов и условий активации; закономерности структурообразования и твердения активированных и модифицированных цементных и бесклинкерных композиций гидратационного и контактного твердения в условиях нормального твердения, при отрицательных и повышенных температурах и давлениях; зависимости строительно-технических свойств цементных композиций от главных факторов; интенсивная ресурсосберегающая технология получения композиционных материалов различного назначения; - результаты внедрения и технико-экономические показатели.

                        Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7-и глав, заключения, библиографического списка используемой литературы и приложений. Работа изложена на 385 страницах машинописного текста, содержит 122 рисунка и 62 таблицы, 141 наименование литературных источников.

                        Похожие диссертации на Повышение эффективности механо-химической активации цементных композиций в жидкой среде

                        

                        Повышение эффективности строительных материалов за счет механохимической активации бесклинкерных вяжущих композицийУрханова Лариса Алексеевна

                        

                        Повышение эффективности строительных полимерных композитов, эксплуатируемых в агрессивных средахОгрель Лариса Юрьевна

                        

                        Повышение эффективности вяжущих и бетонов электромагнитной активацией Заяханов Михаил Егорович

                        

                        Повышение устойчивости асфальтобетонов в агрессивных средах животноводческих комплексов Гавриленко Анатолий Дмитриевич

                        

                        Повышение долговечности мостов в агрессивных средах за счет использования эффективных химических и эмульсионно-минеральных материаловМинин Александр Васильевич

                        

                        Повышение долговечности забивных железобетонных свай в агрессивных грунтовых средах Дедков Валерий Иванович

                        

                        Повышение эффективности сухих строительных смесей с учетом характеристик базовой поверхностиЗагороднюк Лилия Хасановна

                        Повышение эффективности малощебеночных бетоновШомирзаев, Гуламкан Шадманкулович

                        Повышение эффективности древесно-цементных композиций комплексными добавкамиГорностаева, Елена Юрьевна

                        Повышение эффективности использования барханных песков в бетонах для малоэтажного строительстваАбдулсаттаров, Хасан Халикович