Введение к работе
Актуальность темы. Развитие экономического потенциала страны тесно связано с необходимостью внедрения наиболее эффективных технологических решений во всех сферах жизнедеятельности. Существенное место в области строительных материалов и изделий занимают вопросы снижения расходов материальных, трудовых и денежных ресурсов в контексте рационального использования местного сырья.
Последние десятилетия ХХ века ознаменовались значительными достижениями в технологии производства бетона. Именно в эти годы появились и получили широкое распространение новые эффективные вяжущие, модификаторы для вяжущих и бетонов, новые технологические приемы в производстве заполнителей и самих бетонов – сложнейших искусственных конгломератов.
Приоритеты в развитии производства и использования бетонов меня-ются, наблюдается переход от традиционных путей совершенствования структуры и составов в сторону модернизации технологии их получения. При таком подходе вполне естественным становится повышенное внимание к структуре, прежде всего, цементных бетонов. Исследования И.Н.Ахвердова, Ю.М.Баже-нова, Г.И.Горчакова, В.Г.Батракова, П.С.Красовского, З.М.Ларионовой, В.Г.Ми-кульского, О.П.Мчедлова-Петросяна, А.Н.Ребиндера, В.И.Соломатова, В.В.Столь-никова, А.Е.Шейкина и многих других ученых-исследователей получают новое развитие.
Следует отметить, что в настоящее время в необходимом объеме отсут-ствуют исследования физико-химических и физико-технических свойств це-ментных бетонов на основе местного сырья Республики Таджикистан, и крайне мало изучены способы комплексного укрепления грунтов цементом и химическими добавками, а также процессы структурообразования и определения эксплуатационно-технических свойств конструкций с использованием низкомарочных бетонов на основе глинистых грунтоцементов, что затрудняет прогнозирование их долговечности в резкоконтинентальных климатических условиях Республики Таджикистан.
Вместе с тем, ежегодный экономический ущерб от коррозии бетона значителен, что требует повышения коррозионностойкости цементсодержащих материалов, применяя различные способы и методы. Обычно, для производства материалов, конструкций и изделий, подвергаемых влиянию агрессивных веществ, применяют сульфатостойкие цементы. Однако в настоящее время их производство в Таджикистане не налажено, и при производстве материалов и изделий применяют обычный портландцемент.
Наиболее эффективным и технологически легко выполняемым способом повышения коррозионностойкости цементсодержащих материалов является модифицирование цемента добавками химического и минерального происхождения, такими как волластонит, отходы производства флюорита (ОПФ), декстрин, модифицированный лигносульфонат технический (МЛСТ), щелочной экстракт стеблей хлопчатника (ЩЭСХ) и многими их комплексными составами. Применение смешанных минерально-химических добавок в составе цемента, с одной стороны, значительно улучшает качество цементсодержащих материалов, с другой стороны – позволяет существенно уменьшить расход цемента в бетоне при получении равнопрочностных составов.
Одним из способов снижения расходов при производстве бетонных материалов и изделий является эффективное использование местного сырья. В связи с этим, актуальным является также и использование лёссового грунта при производстве строительных материалов, учитывая то, что в Республике Таджикистан лёссовые породы занимают более 70% общей площади осваиваемых территорий и преимущественно распространены на межгорных равнинах и низких предгорьях.
Исследованиями установлено, что строительные материалы и изделия из цементного бетона обладают большим собственным весом, хрупкостью, относительно невысокой стойкостью в минеральных грунтовых водах и др. Однако в случае дефицита цемента их можно заменить на совмещенное вяжущее. При этом одним из перспективных материалов, позволяющих заменить бетон, является грунтоцементная смесь.
В связи с вышеизложенным, в диссертации сделана попытка теорети-чески обосновать и экспериментально подтвердить целесообразность получе-ния и применения бетонов из композиционных вяжущих, содержащих минерально-химические добавки с использованием местного сырья, путем проведения исследований физико-химических свойств их компонентов, физико-хими-ческих основ структурообразования и физико-технических свойств материалов на их основе.
Диссертационная работа выполнена: в соответствии с «Концепцией развития топливно-энергетического комплекса Республики Таджикистан на период 2003-2015 годы», утвержденной Постановлением Правительства Республики Таджикистан №318 от 03 августа 2002 года; по плану координации научно-исследовательских работ в области естественных наук Академии наук Республики Таджикистан.
Цель работы заключается в выявлении физико-химических механизмов структурообразования бетонов из композиционных вяжущих с минерально-химическими добавками из отходов некоторых производств с целью повышения их стойкости к воздействию различных агрессивных сред, а также обосновании и разработке технологических процессов получения строительных материалов из минерального сырья месторождения г.Душанбе.
В качества минерального вяжущего в работе использованы цемент, гипс и лессовый грунт месторождения г.Душанбе, а в качестве минерально-химичес-ких добавок – отходы производства флюорита (ОПФ), минеральная добавка из молотого керамзита, химические добавки из декстрина и щелочного экстракта стеблей хлопчатника (ЩЭСХ).
Поставленная цель достигается решением следующих задач исследова-ний:
- анализ состояния минерального сырья в Республики Таджикистан и его использования в производстве строительных материалов;
- определение физико-химических и физико-технических свойств струк-турообразующих компонентов материалов и минерально-химических добавок из местного сырья;
- изучение влияния минерально-химических добавок из ОПФ, молотого керамзита, декстрина и ЩЭСХ, применяемых как в отдельности, так и совместно, на свойства цемента и гипса;
- выявление физико-химических аспектов структурообразования бетонов из композиционных вяжущих с минерально-химическими добавками из местного сырья;
- проведение рентгенофазового анализа твердения, выяснение химичес-ких механизмов формирования и определение состава твердой фазы компози-ционной смеси из смешанных вяжущих;
- экспериментальные исследования физико-химических и физико-техни-ческих свойств цементных бетонов и низкомарочных бетонов на основе местного глинистого грунтоцемента;
- изучение кинетических основ изменения физико-технических свойств цементных бетонов и кинетики изменения прочности цементного бетона и грунтоцемента при сжатии и изгибе при замораживании-оттаивании;
- изучение коррозионностойкости портландцемента с минерально-хими-ческими добавками при длительном воздействии агрессивных сред: дистиллированной и минерализованной водах, растворах MgSO4 и H2SO4;
- выяснение физико-химических механизмов структурообразования стро-ительных материалов на основе композиционных вяжущих при воздействии различных агрессивных сред;
- выявление физико-химической закономерности структурообразования в грунто-цементах и определение влияние химических добавок и гранулометрического состава на комплексное укрепление грунтов цементом;
- определение технико-экономической целесообразности применения бетонов из композиционных вяжущих с минерально-химическими добавками на основе местного минерального сырья Республики Таджикистан.
Научная новизна работы: На основе исследований физико-химических и физико-технических свойств процессов структурообразования разработаны и получены энерго- и ресурсосберегающие строительные материалы из композиционных вяжущих с минерально-химическими добавками из местного сырья Республики Таджикистан:
- выяснены физико-химические механизмы структурообразования це-ментных бетонов и научно обоснована возможность получения бетонов на основе исследований процессов гидратации безобжигового минерального сырья;
- обоснована возможность модифицирования портландцемента мине-рально-химическими добавками из отходов производства флюорита (ОПФ), молотого керамзита, декстрина и щелочного экстракта стеблей хлопчатника (ЩЭСХ) для повышения прочности и стойкости в различных агрессивных средах в условиях возникновения коррозии выщелачивания Ca(OH)2;
- выявлен послойный механизм разрушения цементного камня с пер-воначальным уплотнением его структуры под действием растворов H2SO4 и положительным влиянием минерально-химических добавок на снижение ско-рости разрушения цементсодержащих материалов;
- установлены основные закономерности и выяснены механизмы струк-турообразования строительных материалов из грунтоцементных смесей на основе лёссового грунта с учетом особенностей их структурного строения, а также гранулометрического и химического состава;
- на основе рентгеноструктурного анализа выявлена взаимосвязь струк-турной прочности лёссовых грунтов с коагуляционно-кристаллизационными связями с учетом прямой пропорциональности содержания глинистых частиц показателю агрегатности Пам;
- на основании химического анализа частиц различной крупности лёс-сового грунта определено, что по мере перехода от крупных частиц к мелким, содержание SiO2, CaO, MgO, K2O, Na2O, P2O5 убывает, а Al2O3, Fe2O3, Мn3O4 и гумуса – возрастает. Изменения в химическом составе частиц различной круп-ности являются причиной соответствующего изменения среднего химического состава грунтов, различающихся по гранулометрическому составу. По мере увеличения дисперсности относительное содержание полуторных оксидов в лёссовых грунтах возрастает;
- разработана математическая модель кинетики изменения физико-тех-нических свойств цементных бетонов под воздействием вибрации.
Практическая ценность работы:
- результаты работы расширяют возможности использования портланд-цемента для производства коррозионностойких строительных изделий: ис-пользование минерально-химических добавок для модифицирования цемента повышает прочность и коррозионностойкость цементсодержащих материалов, а также уменьшает удельный расход цемента при получении равнопрочностных изделий, что приводит к уменьшению их себестоимости; использование ОПФ в качестве минеральной добавки цементов позволяет также утилизировать отходы Такобского горно-обогатительного комбината, что улучшает экологическое состояние местности;
- получение коррозионностойких цементсодержащих материалов из обычного портландцемента с минерально-химическими добавками из местных видов сырья и отходов производства позволяет вместо сульфатостойких цементов использовать обычный портландцемент, что освобождает строительные объекты от необходимости завоза специальных коррозионностойких цементов из-за пределов Республики Таджикистан;
- разработан технологический режим получения цементных бетонов, позволяющий прогнозировать качество нового материала при различных изменениях его физико-химических и физико-технических свойств, а также технологических факторов производства;
- разработаны рекомендации по применению цементных низкомарочных бетонов – грунтоцементных материалов в качестве основания зданий и соору-жений;
- на основе комплекса экспериментально-теоретических исследований и технико-экономического анализа для условий Республики Таджикистан обос-нована целесообразность замены однослойных керамзитобетонных панелей на конструкции наружных стен из грунтоцементных материалов; экономический эффект на 1 м3 смеси составил 2,08 у.е., а при внедрении бетонных составов, содержащих минеральные добавки из ОПФ и молотого керамзита и химической добавки из декстрина, экономия цемента составила 53,6 кг на 1 м3 бетона.
Результаты исследований апробированы и внедрены:
- в АООТ «Хонасоз» («Домостоитель») и «Хонасоз-4» («Домостроитель-4») при разработке ресурсосберегающей технологии получения бетонных изделий и конструкций;
- в Таджикском НИИ проблем архитектуры и градостроительства – в инженерно-физических расчетах по проектированию ограждающих конструк-ций зданий;
- в ООО «Самт-2» («ЖБК-2») Республики Таджикистан – при разработке технологических процессов производства строительных теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов;
- в Таджикском техническом университете имени академика М.С.Осими Министерства образования Республики Таджикистан при разработке комплексного модуля НИР по новым материалам, конструкциям и технологиям.
Некоторые результаты исследований, представленные в диссертации, нашли также отражение в научно-технических отчетах НИР, выполненных в 1991-1995 гг. и 1996-2000 гг. в Таджикском техническом университете имени академика М.С.Осими по тематическому комплексу «Разработка и внедрение эффективных строительных материалов из местных видов сырья».
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты экспериментальных исследований физико-химических и физико-технических свойств композиционных вяжущих и минерально-хими-ческих добавок из местного сырья Республики Таджикистан и строительных материалов на их основе;
- данные по исследованию гидратаций цементов Душанбинского цементного завода в зависимости от условий их технологической обработки;
- результаты рентгенофазовых анализов лёссовидного суглинка, цементных бетонов и низкомарочных глинистых грунтоцементов и процессов их кристаллизации в воде в различные сроки гидратации и твердения;
- результаты исследования модифицирования портландцемента мине-рально-химическими добавками из отхода производства флюорита (ОПФ), молотого керамзита, декстрина и щелочного экстракта стеблей хлопчатника (ЩЭСХ) для повышения его прочности и коррозионностойкости в различных агрессивных средах;
- математическая модель процессов коррозии цементсодержащих материалов в агрессивных средах, что позволяет определить закономерности протекания коррозии и факторы, влияющие на скорость разрушения бетонных изделий;
- методика расчета рационального состава цементных бетонов и низко-марочных бетонов – глинистых грунтоцементов по соотношениям составляю-щих компонентов;
- технологическая схема производства строительных материалов с использованием грунтоцементных смесей;
- результаты исследований по выяснению физико-химических механиз-мов гидратации цемента в полимерцементных суспензиях;
- технико-экономическое обоснование применения строительных матери-алов из композиционных вяжущих и минерально-химических добавок из мест-ного сырья Республики Таджикистан.
Вклад автора заключается в осуществлении научного обоснования работы, предложения новых критериев оценки качества материалов, разработка методик и программ экспериментальных исследований, анализ и обобщение результатов, получение новых и уточнение известных зависимостей, участие в разработке нормативных документов, организация и участие в производственном внедрении. В работах, выполненных в соавторстве, автором сделан основной вклад, выражающийся в формулировании целей и задач исследований, теоретической и методологической разработке основных положений, обобщении и анализе результатов.
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуж-дались на: Международной научно-практической конференции (НПК) «Сов-ременные проблемы аппроксимации и ее применения» (г.Куляб, 1995г.); Рес-публиканской НПК «Проблемы энергоэффективности и энергосбережения в коммунальном хозяйстве» (г.Душанбе, 1997г.); Республиканской НПК «Проб-лемы экономического и социального развития Таджикистана» (г.Душанбе, 1998 г.); Международном семинаре по моделированию и оптимизации композитов МОК-37 (г.Одесса, 1998г.); Республиканской НПК «Гидрометаллургические ресурсы и их рациональное использование в промышленности строительных материалов» (г.Исфара, 1998г.); Республиканской НПК «Химия и проблемы экологии» (г. Душанбе, 1998г.); 6-International conference on composites engine-ering (ICCE/6) (Orlando, Florida, USA, 1999); XLV Konferencji Nau-kowej KILIW PANI KN PZITB, KRUNICA”99 (Poland, 1999); Международной конференции «Горные регионы Центральной Азии. Проблемы устойчивого развития» (Душанбе, 1999г.); Республиканских НПК молодых ученых Таджикистана (г.Душанбе, 1999, 2000гг.); ICCE/7 (Colorado, Denver, USA, 2000); ICCE/9 (Can-Diego, California, USA, 2002); International Symposium «Contri-bution of Tajiks and Persian speakers in the World Civilization: Past and Prezent» (Dushanbe, 2002); Международной НПК «16 сессия Шурои Оли Республики Таджикистан (12 созыва) и ее историческая значимость в развитии науки и образования» (г.Душанбе, 2002г.); WM”03 Conference (Tucson, Arizona, USA, 2003); Респуб-ликанской НПК «Основные направления переработки местного сырья и пути повышения производство строительных материалов» (г.Душанбе, 2003г.); WM”04 Conference (Tucson, Arizona, USA, 2003); 7 TPC (7 Международная конференция по изучению свойств бетона, Шотландия) (Dundee, 2005); Между-народной НПК «Современная химическая наука и ее прикладные аспекты» (г.Душанбе, 2006г.); Международной НПК «Перспективы развития науки и образования в XXI веке» (г.Душанбе, 2007г.); II Республиканской НПК «Из недр земли до горных вершин» (г.Чкаловск, 2008г.); Республиканской НПК «Строительное образование на современном этапе» (г.Душанбе, 2009г.); Рес-публиканской НПК «Современные проблемы химии, химической технологии и металлургии» (г.Душанбе, 2009г.); Конференции «Нумановские чтения» (г.Душанбе, 2009г.); Республиканской НПК «Прогрессивные методы произ-водства» (г.Душанбе, 2009 г.); Республиканской НПК «Горные, геологические и экологические аспекты развития горнорудной промышленности в XXI веке» (г.Душанбе, 2010г.); Республиканской НПК «Наука и энергетическое образо-вание» (г.Курган-тюбе, 2011г.); Республиканской НПК «Наука и строительное образование на современном этапе» (г.Душанбе, 2011г.); Республиканской НПК «Современные проблемы химии, химической технологии и металлургии» (г.Душанбе, 2011, 2012гг.); Восьмой Международной теплофизической школы (Душанбе-Тамбов, 2012г.); Республиканской НПК «Энерго- и ресурсосбе-режение при использовании природных ресурсов в энергетике и промыш-ленности» (г.Курган-тюбе, 2012г.); Международной НПК «Архитектурное образование и архитектура Таджикистана: 50 лет развития и совершенст-вования» (г.Душанбе, 2013г.); Международной НПК «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов» (г.Йошкар-Ола, 2013г.) и др.
Под руководством автора защищено две диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 2 монографиях (26,75 п.л.), 23 статьях в журналах (7,66 п.л.), в т.ч. 19 (6,56 п.л.) – в ведущих рецензируемых журналах и 1 (0,30 п.л.) в электронном журнале из перечня ВАК, 35 (9,93 п.л.) – в материалах научных конференций, 6 (2,38 п.л.) в научных трудах в различных изданиях, 1 авторском свидетельстве.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 225 наименований на русском и иностранных языках и 12 приложений. Общий объем диссертационной работы состоит из 301 страниц компьютерного набора. Основной текст диссертации изложен на 245 страницах, включая 53 рисунков и 41 таблиц.
Автор выражает глубокую признательность за научные консультации д.т.н., профессору А. Шарифову и д.т.н., профессору Г.В. Несветаеву.
