Введение к работе
Актуальность темы исследования. Композиционные гипсовые вяжущие (КГВ) достаточно глубоко изучены и нашли свое место в строительной индустрии.
Наибольшее распространение получили КГВ, в которых в качестве модифицирующих кремнеземсодержащих компонентов используется рационально подобранная смесь портландцемента и высокоактивного, малоактивного или инертного кремнезема. Однако, в некоторых регионах использование КГВ сдерживается ввиду отсутствия или дефицита необходимых для его получения кремнеземсодержащих компонентов. В то же время имеется различное техногенное сырье, содержащее кремнезем в различной форме, и другие примеси. Отсутствие исследований пригодности такого сырья для применения в гипсовых композитах и влияния на их свойства является тормозом для расширения использования гипсовых материалов в строительстве. Решение данной проблемы возможно путем использования энергетически насыщенных за счет геологических и техногенных процессов новых видов сырьевых ресурсов, а именно: отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (отходов ММС), нанодисперсного порошка кремнезема (НДП), мела и суперпластификатора, в качестве многокомпонентных тонкодисперсных минеральных и органических добавок в составах КГВ.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (УИП: RFMEFI58317X0063); программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 годы: №А-2/16 «Разработка и синтез эффективных композитов на быстротвердеющих гипсоцементных вяжущих для аддитивных технологий»; госбюджетной НИР №1978 «Повышение эффективности производства энергосберегающих, инвестиционно-привлекательных стеновых и отделочных материалов за счёт использования неорганических пластифицирующих систем».
Степень разработанности темы. В ранее выполненных исследованиях были разработаны теоретические основы создания композиционных гипсовых вяжущих (КГВ) с использованием в качестве кремнеземсодержащих компонентов смеси активного кремнезема (в основном – микрокремнезема) и малоактивного или инертного кремнезема, например, кислых силикатов – зол ТЭС, доменных шлаков и др. Однако, вопрос применения новых видов нанодисперсных минеральных добавок, а также принципы их совместимости для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик КГВ изучены не достаточно.
Для расширения использования КГВ в строительстве необходимо исследование композиций из гипсового вяжущего, портландцемента и многокомпонентных тонкодисперсных минеральных и органических добавок для получения требуемых свойств вяжущих и композитов на их основе различного функционального назначения.
Цель работы. Повышение эффективности КГВ за счет использования многокомпонентных минеральных добавок.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
– теоретическое обоснование возможности использования многокомпонентных кремнеземсодержащих минеральных и органических добавок для повышения эффективности получаемых КГВ;
– установление технологических параметров предварительной подготовки многокомпонентных тонкодисперсных минеральных и органических добавок;
– изучение особенностей процессов структурообразования при твердении гипсоцементных композиций с многокомпонентными тонкодисперсными минеральными и органическими добавками;
– исследование интенсивности и полноты ранних стадий гидратации КГВ;
– разработка рациональных составов КГВ различного назначения;
– разработка составов эффективных композитов, исследование их реологических, физико-механических и деформационных свойств, в том числе долговечности;
– подготовка нормативно-технической документации для апробации и внедрения результатов исследований в промышленных условиях.
Научная новизна работы. Выявлены закономерности изменения свойств гипсовых композитов, состава продуктов твердения и микроструктуры от вида и содержания гипсовых вяжущих, портландцемента (ПЦ), многокомпонентных тонкодисперсных минеральных и органических добавок, заключающиеся в установлении характера комплексного влияния многокомпонентных тонкодисперсных минеральных добавок – отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (отходов ММС), нанодисперсного порошка кремнезема (НДП), мела и суперпластификатора на микроструктуру гипсовых композитов, и в их избирательном воздействии на процессы синтеза новообразований. Аморфная фаза SiО2 в составе НДП и отходов ММС способствует связыванию Са(ОН)2, выделяющегося при гидратации алита, снижению основности твердеющей системы с устранением условий роста высокоосновных гидроалюминатов кальция и эттрингита с образованием тоберморитоподобных низкоосновных малорастворимых гидросиликатов кальция, которые уплотняют микроструктуру гипсоцементного камня и, как следствие, повышают его водостойкость и стабильность композитов.
Разработаны особенности технологии приготовления композиционных гипсовых вяжущих (КГВ), заключающиеся в установлении технологических параметров предварительной подготовки кремнеземсодержащих минеральных добавок и гидравлического модификатора вяжущего (ГМ) за счет смешивания, совмещенного с кратковременным помолом отходов ММС с ПЦ и мелом, с последующим перемешиванием с гипсовым вяжущим, включающим - и -модификацию гипса и НДП кремнезема, что способствует равномерному распределению компонентов КГВ и оптимизации их гранулометрического состава, а также ускорению процесса структурообразования и увеличению предела прочности на сжатие в ранние сроки твердения.
Выявлен характер влияния суперпластификатора SikaPlast 2135 на твердение гипсовых композитов, заключающийся в регулировании сроков схватывания,
направленном формировании упорядоченной однородной мелкокристаллической структуры с плотной упаковкой частиц и увеличенной площадью коагуляционных и кристаллизационных контактов.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования многокомпонентных кремнеземсодержащих минеральных добавок из местного сырья и суперпластификатора для повышения эффективности модифицированных КГВ и композитов на их основе.
Установлены технологические параметры предварительной подготовки многокомпонентных тонкодисперсных минеральных добавок: отходов ММС (Sуд= 500 м2/кг), нанодисперсного кремнезема (НДП) и мела.
Разработана технология приготовления КГВ, способствующие равномерному распределению и оптимизации гранулометрического состава его компонентов, а также ускорению процесса структурообразования и увеличению предела прочности на сжатие в ранние сроки твердения на 40% и в 28 суточном возрасте на 58% со значениями предела прочности на сжатие до 26 МПа и коэффициентом водостойкости 0,82…0,89.
Предложены рациональные составы гипсовых композитов различного назначения с многокомпонентными тонкодисперсными минеральными добавками и суперпластификатором, обеспечивающими снижение их водопотребности на 19% практически без снижения прочности равноподвижных смесей и замедлению сроков схватывания в 3 раза (до 22 мин 20 с).
Разработаны и методически обоснованы рекомендации по оптимизации составов эффективных гипсовых композитов с многокомпонентными тонкодисперсными минеральными добавками и суперпластификатором классов по прочности В5-В15, средней плотностью 1055-1740 кг/м3, морозостойкостью F35-70, Кр=0,70-0,91.
Подготовлена нормативная документация, проведены промышленные испытания и внедрение.
Практические результаты работы защищены ноу-хау: №20130007 «Композиционное гипсовое вяжущее» от 01.07.2013 г., №20160031 «Композиционное гипсовое вяжущее» от 20.12.2016 г., №20160032 «Эффективный композит на быстротвердеющем гипсоцементном вяжущем» от 20.12.2016 г.
Методология и методы исследования. Методологической основой диссертации явилось проведение комплексных исследований, основанных на принципах системного подхода к рассмотрению проблемы управления качеством композиционных гипсовых материалов с учетом устойчивости системы «человек – материал – среда обитания» и обеспечивающих получение достоверных результатов. Основные физико-механические показатели сырьевых и синтезированных материалов определялись с помощью существующих базовых методов исследования, в т.ч. комплекса современных физико-химических методов анализа, метода лазерной гранулометрии, рентгенофазового анализа, оптической и растровой электронной микроскопии и др. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных образцах, изготовленных на испытательной и инструментальной базе лаборатории
кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.
Степень достоверности результатов работы обеспечена системой проведенных исследований с применением как стандартных средств измерений, так и аттестованного современного оборудования и методов научных исследований. Полученные результаты не противоречат общепризнанным фактам и работам других авторов. Проведенный комплекс экспериментальных исследований апробирован в промышленных условиях.
Внедрение результатов исследований. Апробация результатов диссертационной работы осуществлена: на экспериментальном участке предприятия ООО «Экостройматериалы» (г. Белгород) при выпуске опытной партии КГВ для производства малых архитектурных форм из мелкозернистого бетона и стеновых блоков из керамзитобетона; на ООО «Элитный Кирпич» (г. Белгород) при строительстве пятиэтажного жилого дома в п. Майский Белгородского района с использованием стеновые блоков из керамзитобетона на КГВ.
Для внедрения результатов диссертационной работы разработаны следующие нормативные документы:
– стандарт организации СТО 02066339-001-2017 «Композиционное гипсовое вяжущее с использованием тонкомолотых минеральных добавок»;
– технологический регламент на производство гипсовых композитов для изготовления строительных изделий и конструкций;
– рекомендации по изготовлению мелкозернистого бетона и керамзитобетона на композиционном гипсовом вяжущем.
Теоретические положения и результаты научно-исследовательской работы и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 08.03.01 – «Строительство» профиля 08.03.01-05 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»; магистров по направлению 08.04.01 «Строительство», профилей «Эффективные строительные композиты для 3D аддитивных технологий», «Эффективные композиты для зеленого строительства», а также при выполнении НИР и выпускных квалификационных работ в ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова».
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на: Международной научной конференции «Геоника: проблемы строительного материаловедения; энергобережение; экология» (Белгород, 2012); Международной научной конференции «Эффективные композиты для архитектурной геоники» (Белгород, 2013); Международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 2014 г.); ХIII Академических чтениях РААСН «Научные и инженерные проблемы строительно-технической утилизации техногенных отходов (Белгород, 2014); 2-й Веймарской гипсовой конференции «Гипс (не) только в строительстве» (Веймар, 2014); Международной научно-практической конференции «Современные строительные материалы, технологии и конструкции» (г. Грозный, 2015 г.); научно-практическая конференция к 85-
летию заслуженного деятеля науки РФ, академика РААСН, доктора технических наук, Баженова Юрия Михайловича (Белгород, 2015); седьмой и восьмой Международных конференциях "Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий" (Нижний Новгород, 2014; Майкоп, 2016 г).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 19 работах, в том числе в 9 научных статьях в центральных рецензируемых изданиях, отражены в 1 монографии, зарегистрировано 3 ноу-хау.
Личный вклад автора заключается: в разработке теоретических положений, представленных в данной диссертационной работе; участии автора в разработке и внедрении эффективных композитов на основе модифицированных КГВ; в подготовке и проведении комплекса экспериментальных исследований с последующей обработкой полученных результатов; подготовке научных публикаций. Автором принято участие в выпуске опытно-промышленной партии модифицированного КГВ, композитов на их основе и внедрении результатов исследований.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 12 приложений. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 33 таблицы, 44 рисунка. Список литературы включает 164 наименования.