Введение к работе
Актуальность работы. Принятие и развитие в течение последних 20 лет концепции «устойчивого развития» привело к пересмотру стратегий развития наиболее материало- и энергоемких отраслей промышленности, к которым относится и промышленность строительных материалов. В большой номенклатуре строительных материалов одними из наиболее потребляемых являются портландцемент и бетон на его основе, мировое ежегодное производство которых исчисляется миллиардами тонн. Однако, ввиду значительных затрат природных и энергетических ресурсов, нагрузки на экосистемы, поддержание достигнутых и дальнейшее наращивание объемов производства портландцемента становится проблематичным. Актуальная проблема снижения потребления портландцементного клинкера с сохранением значительных объемов производства гидравлических вяжущих может быть решена путем частичной замены портландцемента бесклинкерными безобжиговыми минеральными вяжущими на основе преимущественно промышленных отходов, все возрастающий научный и практический интерес среди которых вызывают активированные щелочами цементы и, в частности, шлакощелочные вяжущие (ШЩВ).
Исследования последних лет как в целом минеральных вяжущих, так и ШЩВ, отличаются направленностью разработок и комплексного изучения композиционных разновидностей. Вопрос снижения расхода шлака для ШЩВ также актуален и перспективен, как и снижения за счет введения минеральных добавок портландцементного клинкера в современных портландцементах, учитывая нестабильность его состава, рост стоимости и транспортных расходов, так и в целях управления свойствами ШЩВ. Благодаря щелочной активации, особенностям химико-минералогического состава и структуры доменного гранулированного шлака, в состав ШЩВ возможно введение минеральных добавок природного и техногенного происхождения в количестве до 80%, что обеспечивает вовлечение в производство ШЩВ местных минеральных ресурсов. Перспективным при разработке композиционных вяжущих является использование крупнотоннажных промышленных отходов, в том числе строительных. Очевидной пригодностью и ценностью в качестве добавки к композиционным шлакощелочным вяжущим (КШЩВ) обладает отсев дробления бетонного лома по причинам близости химико-минералогического состава, нереализованного потенциала портландцемента. Однако, определение возможности использования в качестве добавки молотого отсева дробления бетонного лома к ШЩВ требует учета особенностей их структурообразования, аддитивного влияния компонентов добавки, разнообразия применяемых бетонов по составу. Между тем, анализ литературы выявил отсутствие систематических исследований, позволяющих оценить вклад отдельных составляющих отсева дробления бетонного лома в формирование структуры и свойств ШЩВ в зависимости варьируемых параметров ШЩВ и добавки (состава, дисперсности, условий твердения) и использовать их результаты для прогнозирования влияния молотых продуктов дробления бетонного лома разного состава.
Анализ эффективности введения силикатных и алюмосиликатных минеральных добавок при получении композиционных шлакощелочных вяжущих позволил выдвинуть гипотезу о возможности получения эффективных композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками компонентов молотого боя портландцементного бетона, растворов и бетонов на их основе.
Целью диссертационной работы явились разработка и исследование композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками молотых компонентов отсева дробления бетонного лома, растворов и бетонов на их основе.
Задачи диссертационной работы:
- анализ современного состояния и недостатков исследований и разработок композиционных шлакощелочных вяжущих с добавкой молотого отсева дробления бетонного лома;
- определение типа, уровня и характера проявления активности молотого отсева дробления бетонного лома как добавки к шлакощелочным вяжущим путем последовательного исследования и сравнительного анализа отдельного и совместного в различных соотношениях влияния его компонентов на комплекс свойств теста и камня КШЩВ;
- выявление закономерностей и установление зависимостей влияния добавок молотых модельных образцов портландцементного камня на свойства теста и камня КШЩВ в зависимости от содержания, вида цемента, удельной поверхности и условий твердения портландцементного камня, вида шлака и затворителя, условий твердения камня КШЩВ;
- выявление закономерностей и установление зависимостей влияния добавок молотых модельных образцов цементно-песчаного раствора на свойства теста и камня КШЩВ в зависимости от содержания кварцевого песка, удельной поверхности цементно-песчаного раствора, вида шлака и затворителя, условий твердения камня КШЩВ;
- исследование влияния на свойства КШЩВ молотого портландцементного камня и отсева дробления бетонного лома в возрасте 10, 30 и 50 лет;
- исследование изменений состава продуктов твердения и структуры камня КШЩВ в присутствии молотых добавок портландцементного камня и цементно-песчаного раствора;
- определение рациональных составов КШЩВ с добавками молотого отсева дробления бетонного лома и исследование свойств мелкозернистых и тяжелых шлакощелочных бетонов на основе разработанных вяжущих.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Установлена значимость факторов влияния на прочность камня КШЩВ с добавками молотого портландцементного камня, убывающая в ряду: вид затворителя > вид шлака > удельная поверхность молотого цементного камня > условия твердения КШЩВ > вид цемента > условия твердения цементного камня. Повышение прочности камня КШЩВ при введении 2,5-20% молотого портландцементного камня с удельной поверхностью 600 м2/кг в возрасте 2 суток составляет до 15,3 раз, 28 суток и 1 года до 1,4 раз.
На основе впервые проведенного анализа отдельного и совместного влияния молотых компонентов модельных образцов цементно-песчаного раствора установлены:
- вклад в повышение прочностных характеристик камня КШЩВ отдельных составляющих цементного песчаного раствора, состоящий в последовательном проявлении активности молотых портландцементного камня с ранних сроков и кварцевого песка в длительные сроки твердения,
- максимальное повышение прочности камня КШЩВ в возрасте 28 суток до 2 раз, 1 года до 1,6 раз при введении цементно-песчаного раствора с удельной поверхностью 400 м2/кг в области соотношений цемент:песок 1:1-1,5.
При введении молотых добавок портландцементного камня и цементно-песчаного раствора в КШЩВ в составе его камня формируется повышенное содержание новообразований – тоберморита, кальцита, портландита и гелевидной составляющей, интенсифицирующих процессы структурообразования и повышающих прочностные характеристики камня КШЩВ.
Обоснована эффективность использования для получения композиционных шлакощелочных вяжущих молотого отсева дробления, полученного при переработке бетона различного срока эксплуатации, с учетом увеличения степени гидратации портландцемента с 0,64-0,66 до 0,84-0,86 в бетоне возраста от 28 суток до 50 лет, соответственно, и обусловленного этим снижения до 20% упрочняющего эффекта добавки.
Практическая значимость работы состоит в повышении экономической, технической и экологической эффективности шлакощелочных вяжущих, растворов и бетонов, а именно в установлении эффективности комплексного использования отходов металлургической промышленности и строительного комплекса – доменных гранулированных шлаков и молотых отсевов дробления бетонного лома для получения бесцементных композиционных шлакощелочных вяжущих с марками по прочности до М1000, тяжелых бетонов классами по прочности до В80, марками по морозостойкости F800, мелкозернистых бетонов классами по прочности до В60. Установлена возможность замены доменного шлака в составе композиционного шлакощелочного вяжущего до 50% и более молотым отсевом отходов дробления бетонного лома.
Достоверность результатов обеспечена систематическими исследованиями с привлечением стандартных методов испытаний, методов лазерной диспергации при определении фракционного состава добавок и КШЩВ, рентгенофазового анализа, электронной микроскопии, математического планирования экспериментов и статистической оценки результатов экспериментов.
Автор защищает:
- выявленные закономерности и установленные зависимости свойств теста и камня композиционных шлакощелочных вяжущих от вида цемента, удельной поверхности и условий твердения портландцементного камня, удельной поверхности и содержания кварцевого песка в составе цементно-песчаного раствора, вида шлака и затворителя, условий твердения камня композиционного шлакощелочного вяжущего;
- результаты исследований состава продуктов твердения и микроструктуры камня композиционных шлакощелочных вяжущих с отдельными компонентами отсева цементно-песчаного раствора и отсевом дробления бетонного лома различного состава и продолжительности твердения;
- результаты сравнительного анализа отдельного и совместного влияния в различных соотношениях компонентов цементно-песчаного раствора на свойства теста и камня, состав продуктов твердения и микроструктуру камня композиционного шлакощелочного вяжущего;
- составы композиционных шлакощелочных вяжущих с содержанием молотого отсева дробления бетонного лома, растворов и бетонов на их основе.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях КазГАСУ (Казань, 2008-2012); на международной научно-технической конференции XV Академических чтениях РААСН «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010 г.); на Международной конференции «Нанотехнология для экологического и долговечного строительства» (Египет, Каир, 2012 г.); на Международной конференции «18 Internationale baustofftagung, Ibausil» (Германия, Веймар, 2012 г.).
Личный вклад автора. Вклад автора состоит в обосновании актуальности темы, постановке целей и задач исследований, выполнении экспериментальной части работы, обработке, обобщении и анализе полученных результатов, участии в опытно-промышленной апробации разработанных вяжущих.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент на изобретение Пат. РФ №2434820 «Способ получения вяжущего» (опубл. 27.11.2011, бюл.№33).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 6 глав, 2 приложений и списка литературы, включающего 155 наименования. Основная часть работы изложена на 162 страницах, содержит 82 рисунков, 22 таблицы.
Автор выражает глубокую благодарность: сотрудникам кафедры строительных материалов КазГАСУ, ФГУП ЦНИИГеолнеруд и кафедры минералогии и литологии Казанского (П)ФУ за помощь в проведении экспериментальных исследований и участие в обсуждении их результатов.
