Введение к работе
Актуальность проблемы. На современном этапе развития промишенного производства наиболее актуальной нрсблемо.; является расур-осбереженне. В области строительного ин'іеі-Ніаловедения это предпо-агает разработку мало.'эпергоомких технологий, базирующихся на ком-лексном использовании мінерального сь.рья с широким вовлечением в роизьодстпо отходов ргАЭличтос производств. Проблеми эняргосбере-ения при производстве и использовании вкжущих мяіериалов наиболее стро обозначились на УІІ Конгрессе (1980 г.) в Париже, когда боль-инство стран с рыночной экономикой было охвачено энергетическим ризисом. По настоящее время эта проблема является центральной на еждународных форумах практиков и ученых - специалистов в области имяи и технологии вдаущих материалов.
Проблема энергосбережения при производстве вяжущих материалов
ешается Путем снижения энергопотребления в обжиге, производством
азличных смешанных многокомпонентных цементов или бесклинкерных
даущих. ,
Снижение энергопотребления в обжиге достигается за счет интен-ификации жидкофазного клинкерообразования при уменьшении осноенос-и систем. Обозначена проблема белитовнх или кнакоосновных клинке-ов. Однако до сих пор окончательно не выработаны структурно-хими-эские требования по получению достаточно активных в даущих пони-8ІШ0Й основности.
Эффектавньв добавки в смешанные цэ менты могут.быть предложены а основа структурно-химического анализа формирования основных нойте лей вотущих свойств - фаз C-S-H, а также особенностей формиро-ания комплекса фаз многокомпонентных вяжущих композиций. Перспек-ивными объектами исследования в этом плане, как показал обозна-анный структурно-химический анализ, явились такие материалы как ысококальциевые оолм ТЭЦ, цэолитовые туфы, специально полученные иквлйвие шлаки определенного состава.
Роботы, положенню в основу диссертации, выполнялись в рамках омплексньк программ "Цеолиты России"'АН СССР, "СИБИРЬ" СО АН СССР РАН) (шифры работ 1.14.04.04., 1.4.07, І.4.Ц), "Энергия" (Т. 01), Экологическая технология" (1.3.7), "Строительство" (тема 2-2) в амках комплексной программа Г.'инцветмота СССР по экономии клинкера ряд инициативных и бюджетных тем, а также по программе науноп .тачсировки в ЛИР (Веспремский химический университет).
Цель, и -вадами исследования. Целью настоящей работы явилась разработка энергосберегающих технологий производства и использования вяжущих материалов с учетом структурно-химических особенностей активизации систем, Поставленная цель достигалась решением ряда задач;
выявление структурно-химических закономерностей строения основных безводных и гидратных силикатно-кальциевых фаз, разработка кристалло-хныических моделей и принципов активизации фаз и вяжущих материалові
изучение возможности активизации вяя/щих свойств материалов, подученных в топотаксических реакциях дегидратации высокоосновных гидросиликатов кальция;
~ устаио?іение закономерностей фазообразования и проявления вязауцих свойств в плавленых системах с высоким содержанием оксидов-плавней (РеО, P^O^i-kl^O^ и ДР-її
разработка принципов и экспериментальная проверка активизации клинкеров пониженной основности;
выявление структурно-химических закономерностей формирования состава кремне-кислородных анионов (ККА) при твердении различных силикатно-кальциевых вяжущих;
разработка общих принципов выбора и получения эффективных добавок для смешанных многокомпонентных цементов;
опытно-промышленная проверка основных положений и разработка нормативно-технической документации для внедрения.
Научная новизна. Выявлена главенствующая роль комплексов, содержащих диортосиликатннв анионы [5^7^ или смешанные анионные радикалы [ТТпОг;] при формировании фазового состаза обжиговых и ги) ратированных силикатно-кальциевых вяжущих пониженной основности. Установлены определенные закономерности наследования структурных фрагмантов в реакциях с участием силикатов и гидросиликатов кальциі
предложена модель и механизм кристаллохимической стабилизации высокотемпературных модификаций CagSiCb различными катионами И, в частности, Са*+;
предложен способ и описан механизм получения активных продуктов дегидратации высокоосновннх гидросиликатов кальция с учетом тойотаксического характера этих реакций;
предложена модель структуры фаз C-S-H на базе комплексов, включающих диортогруппу [ScgCv,]. -Дано объяснение проявления вяжущих свойств C-S-H фазами с позиций поэтапного'формирования так называемых формульных ячоок из блоков, включающих группы [SigOij,];
показано устойчивое формирование в стёклофазе среднеоснов-ых систем восстановительной или окислительной плавок кремнекисло-одных радикалов [^іо^] и радикалов со смешанными анионами типа TTgOr,], где Т - ионы AI, Ре, Сг, и др, в тетраэдрических поэи-иях. Последнее в глиноземсодержащих системах со средней и поникен-ой основностью при резком охлаждении приводит к формированию нес-ехиометричного C^SiQ,., а также является причиной легкого синтеза еленита;
установлено, что активизация ниэкоосновных клинкеров при рез-ом охлаждении обусловлена формированием активного.комплекса фаз. ристаллиэующиеся из расплава при резкой закалке белиты характёри-увтся вксокой кестехиомэгричностью (C/s от 2,2 до 2,46), обуслов-енной формированием в расплаве комплексов со сметанными анионными адикалами [П^Ог,] и зависящей от хозяев "особых" тетраэдров QA.I,
е, С'г и т.д.);
установлено,лчто кремнекислородные анионы основных.силикат-о-кальциевых вяжущих, твердеющих самостоятельно или при гидротер-альной обработке, включают в качестве основной, достаточно длитель-о устойчивой фракции дйортосиликатные^^Ог,] или смешанные анионы, остроенные по коду [TTgOrj]. Это позволяет направлять процесс по пу~ и формирования тиллеитоподобных структур с ускорением гидратации иликатов кальция;
показано, что стекла диоргосиликатного [s('o0r,] состава обес-ечивают наиболее высокую прочность шлаковых (щелочных или смешан-ых клинкерных) цементов. При-этом активность ШПД из доменного шла-а прямо пропорциональна количеству димеров в шлаке. Предложено поучать активиие никелевые шлаки с доведением их состава до максима-ьного содержания димеров [Si pOrJ ;
предложено в качестве эффективных добавок в смешанные ц-.мен-ы использовать материалы, легко поставляющие анионы [Si 2^7] в ви~ е высококальциевых зол ТЭЦ, цеолитовых туфов и их смесей, обеспе-ивающих существенную экономию топливно-энергетических ресурсов.
ти материалы являются достаточно эффективными компонентами мало-нергоемких бесклинкерных вяжущих.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разра-оганы составы и технологии активных белитовых клинкерных цементов, рошедшис заводские испытания на опытном заводе Гяпроцемента и Куэ-ецком nevcurrnnv заводе.
РапрпОотрі'.л и реализована в промышленных условиях Норильского UK KOMii.iO'ff.Man ',;схп",1|пг;нт получения высоко.чальциелнх никелевых
шлаков и ШПЦ на их основе с высокими строительно-техническими свои> ствами, обеспечивающая дополнительное извлечение цветных металлов и экономию не менее 3 клинкера.
Разработаны технологии и нормативно-техническая документация по получению смешанных цементов, различных бетонов и строительных растворов с использованием высококольциевых зол ТЭЦ углей КАТЗКа и золо-цеолиговых композиций, позволяющие экономить 20-100% цемента и 50-100 % извести в различных материалах.
Разработана и внедрена на Кузнецком заводе технология получения многокомпонентных цементов с добавкой пеолитового туфа, позйо-лящая сократить расход клинкера на 25-33 % отн.
Разработаны и утверждены технические условия на цеслитовые туфы четырех крупных месторождений Сибири и Дальнего Востока для производства различных строительных материалов (портландскае и пуццолановые цементы, ЩІВ, известково-цеолитовые вяжущие и безавтоклавный кирпич на их основе, обжиговые материалы).
Технико-экономическая'оценка работы, проведенная при участии специалистов из НИИ и соответствующих предприятий показала, что гарантированный'экономический эффект составляет: при получении вы сококальциевого никелевого шлака и ШІ1Ц на его основе - 5 млн. 651 тыс. руб С1985 г.)$ при использовании высококальциевых зол ТЭЦ углей КАТЗКа только на предприятиях г. Барнаула - 931,1 тыс. руб в год (1989 г.)} при получении цеолитсодержащих ШПЦ на Кузнецком цементном заводе - 853 ТЫс. руб в год (1985 г.).
Материалы работы используются s курсах "Вяжущие материалы", "Строительные материалы для местного строительства", "Тенденции развития производства бетонных и железобетонных изделий", а также в дипломном проектировании специальности 2906 "Производство строительных изделий и конструкций".
Апробация. Основные положения работы докладывались на УІІ и УІІІ Международных Конгрессах по химии цемента, на международной конференции Si в (со if (1985 г.) в Будапеште и более чем 20 Бсе-coD3Hbixt республиканских, и региональных научно-технических конференциях, а также на научных семинарах в ИХС АН СССР (РАН), ИГиГ (X АН СССР (РАН), вузов России (ЛИСИ, ТИСИ, НИСИ, АлтПИ и других).
Публикации. Результаты работы изложены в более чем 100 публикациях, в том числе в монографии "Золы углей КАТЭКа в строительны: материалах" объемом 22,55 усл. печ. лист., 18 авторских свидетель' ствах и патентах.
Объем работы. Диссертация состоит из введения і девяти глав, зосредоточенных в трех разделах,, заключения, общих выводов, списка гатературы из 358 наименований, приложений.
Работа изложена па479 с. .машинописного текса, содержит 126 рис., 119 табл., а также б с. приложений.
