Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одним из важнейших
направлений экономического и социального развития Российской Федерации является модернизация в строительстве и строительной индустрии за счет разработки новых и совершенствования известных технологий изготовления строительных материалов, изделий и конструкций. Для разработки новых строительных материалов целесообразно использовать местное минеральное сырье.
Исследование и разработка новых строительных материалов входят в
программу стратегии социально-экономического развития Республики
Дагестан до 2020г., в рамках которой принята программа «Создание
благоприятных условий для привлечения инвестиций в экономику РД на
2012-2020г.». На республиканском уровне приняты масштабные
инвестиционные программы: Строительство завода по выпуску листового
стекла флоат-методом, производственной мощностью 600 тонн в сутки,
Строительство завода строительных материалов, проект создания
индустриально-строительного комплекса «Каспийск», проект «Строительство завода по производству гипса и гипсосодержащих строительных материалов» и инвестиционный проект «Завод по производству керамических плиток по итальянской технологии». На всех предприятиях строительной индустрии эффективно использование строительных материалов на местном сырье, а именно материалов для повышенных и высоких температур, в том числе жаростойких бетонов. В 2008 году Постановлением Правительства Республики Дагестан было принято решение о создании технологического парка по базальтовым технологиям. В создании парка Дагестанский государственный технический университет (ДГТУ) принимает активное участие. Одним из направлений исследования в рамках технологического парка является разработка новых эффективных жаростойких базальтовых бетонов на основе местного минерального сырья, которое является актуальней задачей для региона. Отличительная особенностью жаростойких бетонов является возможность футеровки тепловых агрегатов различных конструктивных решений. При изготовлении жаростойких бетонов используют не только дорогостоящие огнеупорные материалы, но и обычные доступные дешевые заполнители такие как – керамзит, перлит, вермикулит, а также вторичные материалы – шлаки, огнеупоры, бой керамического кирпича и другие. Использованные для получения жаростойких бетонов местного минерального сырья базальтового гравия Дагестанского месторождения и боя керамического кирпича позволяет получить жаростойкие бетоны и изделия из него с низкими трудовыми затратами и стоимостью по сравнению с дорогостоящими привозными фасонными огнеупорными изделиями.
Степень разработанности темы. Ранее проведенные исследования ученых В.М. Москвина, В.И. Мурашева, Ю.П. Горлова,К.Д. Некрасова, А.Ф. Милованова, В.В. Жукова, А.Н. Абызова, А.П. Меркина, В.Н. Сокова, В.И.
Шевченко, Б.Д. Тотурбиева, В.В. Ремнева, В.Ю. Бурова, В.В. Сокова, А.И. Хлыстова, Н.П. Ждановой, М.Г. Масленниковой, А.П. Тарасовой, Т.А. Хежева, Г.Н. Хаджишалапова и др. позволили получить жаростойкие бетоны для футеровки различных тепловых агрегатов промышленности строительной индустрии, металлургической, нефтехимической промышленности, а также предприятий электроэнергетики. Обширные исследования проведены в области жаростойких бетонов на основе диорита, андезита и базальта для их применения в температурном диапазоне от 300оС до 700оС. Вопросы получения жаростойких бетонов из местного минерального сырья, а именно Северо-Кавказского региона, с применением в качестве мелкого и крупного заполнителя базальта Дагестанского месторождения и вяжущего с минеральной добавкой из отходов боя керамического кирпича с их активацией для улучшения эксплуатационных свойств в настоящее время не имеют достаточного научного обоснования.
Цели и задачи исследования.
Цель исследования – выявление основных закономерностей
формирования структуры и свойств жаростойкого базальтового бетона на
основе комплексного композиционного вяжущего, полученного
механической и механохимической активацией портландцемента и местных минеральных добавок природного и техногенного происхождения.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
– обоснована целесообразность применения местных материалов в качестве крупного и мелкого заполнителя жаростойких бетонов;
– исследованы свойства композиционного вяжущего, полученного механохимической активацией портландцемента и боя керамического кирпича;
– обоснованы технологические основы получения жаростойких бетонов на основе местного крупного и мелкого базальтового заполнителя и композиционного вяжущего;
– исследованы физико-механические, физико-химические,
теплофизические и термомеханические свойства жаростойких бетонов на базальтовом заполнителе и активированном композиционном вяжущем;
–выявлено влияние основных технологических параметров на основные свойства жаростойких бетонов;
– разработана технологическая схема производства жаростойкого
базальтового бетона с использованием местного заполнителя и
активированного портландцемента с тонкомолотым кирпичным боем;
–осуществлен выпуск опытной партии жаростойкого бетона, разработан технологической регламент производства жаростойких бетонов с базальтовым заполнителем;
– выполнено технико-экономическое обоснование целесообразности применения местного минерального сырья и отходов производства керамического кирпича для выпуска блоков из жаростойкого бетона с температурой применения до 700оС.
Объект исследования:
– дисперсные системы, содержащие портландцемент с активированной минеральной добавкой, крупный и мелкий базальтовый заполнитель, технология жаростойких бетонов.
Предмет исследования:
– закономерности формирования микроструктуры жаростойкого бетона
и процесс структурообразования цементного камня из механически и
механохимически активированного в планетарной мельнице
портландцемента с тонкомолотым кирпичным боем в зависимости от температуры нагрева и технологических факторов;
– получение жаростойких бетонов с требуемыми физико-
механическими, физико-химическими, теплофизическими и
термомеханическими свойствами.
Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.05 – Строительные материалы и изделия, пункту 7 «Разработка составов и принципов производства эффективных строительных материалов с использованием местного сырья и отходов промышленности».
Научная новизна:
– доказана возможность эффективного использования базальтового заполнителя месторождения «Ахвай» Республики Дагестан и отходов производства керамического кирпича в качестве тонкомолотой добавки с активацией вяжущей связки портландцемент – тонкомолотая добавка при производстве жаростойких бетонов с температурой применения до 700оС;
– исследовано влияние механической и механохимической активации композиционного вяжущего на структуру жаростойкого базальтового бетона в зависимости от рецептурно-технологических факторов, а именно: времени активации, количества оборотов барабана в минуту, количества минеральной добавки, тонкости помола, количества вяжущего, водосодержания бетонной смеси, времени уплотнения, времени перемешивания, величины пригруза;
– выявлены закономерности изменения прочности, плотности, усадки, теплопроводности, коэффициента линейного температурного расширения и термомеханических характеристик жаростойкого бетона в зависимости от температуры нагрева;
– установлено, что механическая и механохимическая активация вяжущей связки портландцемент – тонкомолотая добавка в технологии производства жаростойкого базальтового бетона обеспечивает условия для сокращения пространства между частицами вяжущего за счет снижения количества воды затворения и химически несвязанной воды, уменьшения пористости бетона;
– выявлено, что вследствие снижения порового давления в бетоне
уменьшается образование трещин в межпоровых перегородках, что
предотвращает взрывообразное разрушение жаростойкого базальтового
бетона и улучшает его физико-механические, физико-химические,
теплофизические и эксплуатационные характеристики.
Теоретическая значимость исследования заключается в
- возможности эффективного использования базальтового заполнителя
месторождения «Ахвай» Республики Дагестан и отходов производства
керамического кирпича в качестве тонкомолотой добавки из минерального
сырья Каспийского месторождения с дальнейшей активацией вяжущей
связки портландцемент – тонкомолотая добавка при производстве
жаростойких бетонов с температурой применения до 700оС;
- изучении влияния механической и механохимической активацией
вяжущих на физико-механические, физико-химические, теплофизические,
термомеханические свойства жаростойкого бетона;
изложении роли механической и механохимической активации композиционного вяжущего, обеспечивающего вследствие его высокой дисперсности условия для улучшения эксплуатационных характеристик за счет изменения технологических параметров изготовления жаростойких бетонов;
проведении модернизации технологии получения жаростойких бетонных смесей с включением в технологическую схему производства планетарной мельницы для механохимической активации вяжущего;
- доказательстве, что механохимическая активация композиционного
вяжущего на основе связки портландцемент-тонкомолотая добавка боя
керамического кирпича уменьшает количество воды затворения, усадочные
деформации, повышает предел прочности, снижает поровое давление в
структуре жаростойкого бетона при нагреве, уменьшает количество
химически несвязанной воды, что снижает вероятность деструктивных
явлений в бетоне и взрывоопасного его разрушения;
- исследовании закономерности процесса структурообразования и
формирование свойств, активированных композиционных вяжущих на основе
связки портландцемент-тонкомолотая добавка боя керамического кирпича,
которые позволяют расширить экспериментальные данные в области
строительного материаловедения, а именно в области технологии
жаростойких бетонов;
- внедрении результатов экспериментальных исследований в учебный
процесс ДГТУ при подготовке бакалавров по направлению «Строительство»
в методические указания по выполнению лабораторных работ по
строительным материалам, курсового и дипломного проекта по профилям
подготовки «Производство строительных материалов, изделий и
конструкций» и «Промышленное и гражданское строительство».
Практическая значимость работы:
– разработаны составы активированного вяжущего и бетонной смеси и
установлены основные технологические, теплофизические и
термомеханические параметры для производства жаростойкого базальтового бетона из местного минерального сырья (Заявка №2017136602 (приоритет) от 17.10.2017г. «Блок для футеровки металлической поверхности различных тепловых агрегатов»);
– разработана ресурсосберегающая технология получения
жаростойкого бетона с тепловлажностной обработкой для применения на действующих заводах ЖБИ и открытых полигонах по производству сборного железобетона;
– проведена производственная апробация результатов исследований, разработан технологический регламент на производство жаростойких изделий на основе местных базальтовых заполнителей и активированного вяжущего для изготовления блоков футеровки газохода размерами 300300250мм с классом бетона по предельно допустимой температуре применения И7 и классом по прочности на сжатие В30. Общий экономический эффект при футеровке газоходов одной тоннельной печи для обжига керамического кирпича составляет до 17тыс. рублей на 1 м3;
– технико-экономический расчет показал сокращение затрат на футеровку различных тепловых агрегатов на 150%.
Теоретические положения диссертационной работы и результаты экспериментальных исследований используется в учебном процессе ДГТУ при подготовке бакалавров по направлению «Строительство».
Методология и методы исследования. Методологическая база
исследования жаростойкого базальтового бетона на активированном
вяжущем из местного минерального сырья основывалась на
фундаментальных положениях технологии жаростойких бетонов. В
экспериментальных исследованиях оптимизация состава, физико-
механических и технологических факторов, получение жаростойкого
базальтового бетона на основе местного минерального сырья проведена с
использованием методов математического планирования эксперимента.
Исследования процесса формирования структуры жаростойкого базальтового
бетона, структуры и ее влияние на свойства жаростойкого базальтового
бетона с применением активированного композиционного вяжущего
вещества проводились по стандартным методам исследования,
теплофизические и термомеханические исследования проведены по специально разработанной методике.
Степень достоверности и апробация результатов диссертации.
Степень обоснованности и достоверности научных исследований, теоретических и практических выводов, которые сформированы в диссертации, подтверждена достаточным объемом экспериментальных данных, полученных в лабораторных условиях с использованием современных методов исследований и инструментальных средств измерения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на: научно-технических конференциях
профессорско-преподавательского состава ДГТУ (г. Махачкала, 2011-2017 г.);
научных семинарах кафедр технологии и организации строительного
производства и строительных материалов и инженерных сетей ДГТУ;
Всероссийской научно-практической конференции «Компьютерные
технологии в строительстве» (г. Махачкала, 2011 г.); Всероссийской научно-
практической конференции «Высокотехнологичные и энергоэффективные
технологии и материалы в современном строительстве» (г. Махачкала,
2014г.); Международной научно-практической конференции, посвященной
95-летию ФГБОУ ВО «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова» (г. Грозный,
2015г.); Всероссийской научно-практической конференции «Новые
строительные технологии и материалы» (г. Махачкала, 2016 г.);
межрегиональной с международным участием специализированной
строительно-архитектурной выставке-форуме «ДАГСТРОЙЭКСПО - 2016, 2017 г.» (г. Махачкала); научно-техническом совещании Министерства промышленности и торговли Республики Дагестан (г. Махачкала, 2016г.); научно-техническом совещании Министерства строительства и ЖКХ Республики Дагестан (г. Махачкала, 2017г.).
Публикации. По результатам исследований опубликованы 12 научных статей, в том числе 6 публикаций в рецензируемых изданиях, включенных в Перечень ВАК РФ, получен 1 патент на полезную модель РФ.
Личный вклад соискателя. Заключается в планировании и реализации экспериментальных исследований, обработке и интерпретации полученных данных, внедрении результатов исследования. Основные научные результаты получены соискателем лично. Отдельные вопросы теоретических и экспериментальных исследований и внедрение результатов выполнены с авторами, приведенными в списке публикаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, заключения, списка литературы из 170 наименований и 8 приложений. Диссертация изложена на 155 страницах и включает 51 рисунок и 22 таблицы.