Введение к работе
Актуальность темы. Во всех развитых странах мира интенсивно растет потребность в цементах, обладающих высокой прочностью и быстрым ее набором при твердении, а бетоны на их основе имеют высокие показатели по плотности, стойкости в агрессивных средах, жаростойкости, могут работать в агрегатах при повышенных температурах и давлении. К таким вяжущим относятся алюминатные цементы и, в частности, глиноземистый цемент, что и предопределяет практический и теоретический интерес ученых всех стран к указанным цементам. Алюминатные цементы находят все более широкое применение в строительстве (при аварийных работах, при получении специальных цементов, при зимнем бетонировании и т.д.), в металлургии, в химической промышленности, при разработке и внедрении высокоинтенсивных технологических процессов, протекающих в условиях повышенных температур, давлений, агрессивных сред, в качестве конструкционных и теплоизоляционных материалов, при замене дорогих штучных огнеупоров на жаростойкие бетоны из алюминат-ных цементов.
Однако увеличение выпуска алюминатных цементов сдерживается дефицитностью, высокой ценой, низкой реакционной способностью, «загрязненностью» нежелательными микропримесями основных сырьевых компонентов, используемых при получении этих вяжущих: бокситов и технического глинозема. В частности, в последнее время в России в связи с истощением запасов высокосортных бокситов качество глиноземистого цемента постоянно снижается, так как используемые низкосортные бокситы содержат повышенное количество Si02 и других микропримесей, что приводит к образованию в цементе гидравлически инертных соединений, например, геленита, вследствие чего снижаются прочностные характеристики цементного камня.
В то же время в стране скопилось в отвалах, шламонакопителях, хранилищах огромное количество различных алюминиисодержащих отходов, количество которых растет с каждым годом, а их содержание и хранение обходится государству и предприятиям в миллионы рублей. Отходы занимают огромные площади плодородных земель, существенно ухудшая экологическую обстановку в ряде крупных промышленных регионах РФ, нанося стране огромный экономиче-
ский ущерб. В то же время, как следует из химического состава, многие отходы могли бы с успехом заменить дефицитные и дорогостоящие бокситы и технический глинозем или использоваться как эффективные модифицирующие добавки при производстве алюминатных цементов. Однако для успешного применения различных алюминий-содержащих отходов при производстве алюминатных цементов и для оптимального, рационального применения «загрязненных» примесями бокситов без ухудшения качества глиноземистого вяжущего необходимо провести обстоятельные исследования по изучению влияния различных индивидуальных и комплексных добавок на процессы синтеза и гидратации модифицированных глиноземистых цементов. Выявленные закономерности позволят определить пути улучшения свойств алюминатных цементов, снизить их себестоимость, эффективно использовать в цементной промышленности различные отходы, решить некоторые экологические проблемы, расширить сырьевую базу строительной индустрии, что является актуальным и имеет большое народнохозяйственное значение.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематикой института МИКХиС: тема N11/96-53 по единому заказ-наряду, утвержденному Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации.
Цель работы: исследование влияния некоторых индивидуальных и комплексных добавок на процессы, протекающие при синтезе и гидратации глиноземистого цемента, и на основе выявленных закономерностей разработать с использованием отходов составы и технологию модифицированных глиноземистых цементов с улучшенными строительно-техническими свойствами.
Задачи исследований:
изучение влияния отдельных и комплексных модификаторов на процессы минералообразования и кристаллизации, протекающие в расплавленных глиноземистых шлаках;
исследование влияния отдельных и комплексных добавок на процессы гидратации глиноземистых цементов;
определение и синтез оптимальных составов модифицированных глиноземистых цементов и изучение их строительно-технических свойств;
- изучение физико-технических свойств бетонов на основе разрабо-
тайного модифицированного цемента;
разработка технологических параметров получения модифицированных глиноземистых цементов с улучшенными строительно-техническими свойствами.
Научная новизна работы состоит в том, что выявлено влияние отдельных ионов Ті, S, F, Mo, Ni, Sn, Cr и комплексного модификатора, включающего в себя указанные ионы, на процессы минералообразования и кристаллизации, протекающие в расплавленных глиноземистых шлаках. Показано, что, вводя в состав глиноземистого шлака при термообработке исследуемые добавки в оптимальных количествах, возможно целенаправленно изменять скорость кристаллизации основных минералов глиноземистого цемента, их состав, количество и микроструктуру; количественное соотношение стекло- и кристаллической фаз при одном и том же режиме охлаждения матричного глиноземистого шлака.
Выявлено, что размолоспособность глиноземистого шлака зависит от его минералогического состава, соотношения количества кристаллической и стеклофазы, природы и количества вводимой добавки. Установлено, что уменьшение на 7-14% количества кристаллического геленита при одновременном увеличении на ту же величину в образцах содержания кристаллов СаОА12Оз (при введении 0,5-5% добавок Ni203, CaS04-2H20, CaF2, Ti02, 0,5-1% МоОз) повышает на 7-30% размолоспособность модифицированного глиноземистого шлака; существенное увеличение в составе модифицированного глиноземистого шлака количества стеклофазы резко снижает размолоспособность последнего.
Показано, что прочностные характеристики глиноземистых вяжущих повышаются в том случае, когда под воздействием модифицирующих добавок в образцах увеличивается концентрация од-нокальциевого алюмината при одновременном уменьшении на ту же величину содержания в шлаке геленита. Выявлено, что стекло состава геленита, модифицированное исследуемыми добавками, гидравлически более активно, чем кристаллический геленит.
Установлено, что снижение прочностных характеристик глиноземистого вяжущего фиксируется в образцах с большим (50% и более) содержанием стеклофазы и при появлении в шлаке при вве-
дении добавок новых, как правило, гидравлически менее активных, чем СА, соединений - СаОТіОг, С3А3 CaF2, FeOСг203 и др.
Выявлены закономерности процессов, протекающих при гидратации модифицированных цементов. Показано, что продукты гидратации в контрольном и модифицированных глиноземистых цементах практически одинаковы. Однако, кристаллогидратов и гелеобразной массы в опытных образцах значительно больше, чем в матричном цементе, что объясняется повышенной степенью гидратации модифицированных микропримесями основных минералов глиноземистого цемента и стекла состава геленита. Кроме того, образующиеся гидроалюминаты кальция, вероятно, вследствие включения в свой состав примесных ионов, более устойчивы и стабильны, чем «чистые» кристаллогидраты. Поэтому в модифицированных системах не наблюдается сбросов прочности при длительном твердении за счет перехода САН] о и СгАН8 в СзАНб. Все это и приводит к увеличению прочностных характеристик модифицированных глиноземистых цементов по сравнению с контрольными образцами.
Практическая значимость работы. Выполненные исследования позволили разработать составы и технологию производства модифицированного глиноземистого цемента на основе отходов промышленности с улучшенными строительно-техническими свойствами. Внедрение разработанной технологии на Пашийском металлургическо-цементном заводе позволит получить экономический эффект более 11 млн. рублей в год, за счет снижения расхода электроэнергии на помол модифицированного глиноземистого шлака и повышения качества цемента. Кроме того, внедрение разработанной технологии позволит с большой эффективностью использовать в цементной индустрии отходы различных отраслей промышленности, что существенно улучшит экологическую обстановку в ряде регионов РФ, сократит затраты на содержание и хранение отходов и позволит получить дополнительный экономический эффект.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на Международной конференции «Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений» (XIV научные чтения), Белгород, 1997 г.;
на 6 Международном семинаре по цементу и вяжущим материа
лам, Индия, Дели, 1998 г.; на XXXIII научной конференции фа
культета физико-математических и естественных наук, Москва,
РУДН, 1997 г.; на XXXI научно-технической и научно-
методической конференции, Москва, МИКХиС, 1997 г.
Публикации. Основные результаты выполненных исследований изложены в 4 публикациях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы и приложений. Работа изложена на 217 страницах машинописного текста, включая 29 таблиц, 46 рисунков и приложения на 13 страницах.
