КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ДЕЙНЕКО дмитро Євгенович

УДК 666.19; 677.522; 691.3; 691.5

ЛУЖНІ БАЗАЛЬТовМІсні ЦЕМЕНТИ

ТА БЕТОНИ НА ЇХ ОСНОВІ

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному Науково-дослідному інституті в'яжучих речовин і матеріалів ім. В.Д. Глуховського Київського національного університету будівництва і архітектури.

Науковий керівник - | кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Мохорт Микола Аркадійович,

Державний науково-дослідний інститут в'яжучих речовин і матеріалів ім. В.Д. Глуховського Київського національного університету будівництва і архітектури, старший науковий співробітник

Офіційні опоненти - | доктор технічних наук, професор

Саницький Мирослав Андрійович

Інститут будівництва та інженерії довкілля Національного університету “Львівська політехніка”, директор

- | кандидат технічних наук

Шаршунов Анатолій Борисович

Інститут гідротехніки і меліорації Української Академії аграрних наук, завідувач відділу діагностики та захисту гідротехнічних споруд

Провідна установа - | Одеська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, м. Одеса, кафедра виробництва будівельних виробів і конструкцій

Захист відбудеться 15.02. 2006 р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 “Основи і фундаменти. Будівельні матеріали та вироби” Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розіслано “13” січня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к. т. н. Г.Р. Блажіс

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. аналіз виробництва будівельних матеріалів показує, що подальший його розвиток має бути направлений на максимальне використання недефіцитних природних та техногенних продуктів, промислових відходів, а також розвиток ресурсозберігаючих технологій. Зниження витрат матеріальних, трудових, енергетичних та природних ресурсів у промислових процесах завжди було одним з найперспективніших напрямків розвитку науки та будівельного виробництва.

Пошук нових економічних в'яжучих систем, спроможних замінити традиційний портландцемент, є на сьогоднішній день однією з основних проблем будівельних матеріалів. З цього погляду особливий інтерес викликають сучасні в'яжучі системи, що розробляються в Державному науково-дослідному інституті в'яжучих речовин і матеріалів ім. В.Д. Глуховського.

Одним з найперспективніших напрямків досліджень є розвиток змішаних лужних цементів з використанням клінкерних в'яжучих систем та природного базальту або техногенного продукта його переробки, застосування якого дозволить підвищити рівень ресурсозбереження у будівельному виробництві, забезпечити високі будівельно-технічні властивості матеріалів та реалізувати ряд спеціальних властивостей портландцементних в'яжучих систем.

Актуальність роботи полягає в застосуванні природного базальту та техногенної сировини (відходу виробництва теплоізоляційних волокнистих матеріалів з базальту) для виготовлення високонаповнених цементів і будівельних матеріалів на їх основі з високими будівельно-технічними властивостями, це дозволить значно покращити показники ресурсозбереження, екологічні і економічні показники в будівельному виробництві за рахунок того, що базальт є місцевим сировинним компонентом і запаси такої сировини на території України практично невичерпані, а річний вихід техногенних відходів у вигляді недороздутого базальтового волокна та королька на одному лише ЗАТ “Теплозвукоізоляція” нараховує десятки тисяч тонн.

Передумовами для виконання представленої роботи є розроблена проф. Глуховським В.Д. наукова концепція щодо виявлення сполуками лужних металів гідравлічних властивостей, а також розроблені проф. Кривенко П.В. наукові основи управління процесами структуроутворення цементного каменю за рахунок направленого регулювання хіміко-мінералогічного складу сировинних сумішей, структурних і морфологічних характеристик дисперсної фази лужних цементів, а також виду аніону та катіону дисперсійного середовища (лужного компоненту).

Все вищезазначене дозволяє передбачити можливість отримання ефективних лужних базальтовмісних цементів на основі портландцементного клінкеру та базальтового компоненту скловидної або склокристалічної структури за умови розробки комплексних методів направленого управління складом дисперсної фази в'яжучої речовини.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності до держбюджетної теми Міністерства освіти і науки України 4ДБ-2002 “Встановлення фізико-хімічних закономірностей формування контактної зони, як основи підвищення довговічності композиційних матеріалів на лужних цементах” (2002-2004 рр., № державної реєстрації 0102U000930), та до теми за господарчим договором “Встановлення можливості утилізації відходів виробництва базальтового волокна за допомогою геоцементів” (2000 р., № реєстрації 9-00). В зазначених роботах автор виконував експериментальні дослідження та обробку отриманих результатів.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка лужних базальтовмісних цементів та бетонів на їх основі з підвищеними експлуатаційними властивостями.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- дослідити закономірність впливу співвідношення компонентів у мінеральній композиції складу “портландцементний клінкер - базальтовий компонент” та виду лужних компонентів, що відрізняються видом катіону та аніону, на процеси гідратації та активність в'яжучих систем, що містять:

·

·

- дослідити взаємозв'язок процесів формування фазового складу та структури композицій, гідратованих в умовах нормального тверднення, пропарювання та автоклавування з міцнісними властивостями штучного каменю;

- розробити та оптимізувати склади лужних базальтовмісних цементів у відповідності до технічних вимог для бездобавочних цементів;

- вивчити експлуатаційні властивості бетонів на основі розроблених цементів;

- провести дослідно-промислове впровадження розроблених складів бетону та відпрацювати основні етапи технології його виробництва, визначити ефективність від застосування розробленого матеріалу.

Об’єктом досліджень є змішані базальтовмісні лужні цементи на основі портландцементного клінкеру та природного базальту склокристалічної структури або техногенного продукту його переробки скловидної структури.

Предметом досліджень є процес направленого формування складу сировинних сумішей, що містять природний базальт склокристалічної структури або техногенний продукт його переробки скловидної структури, які забезпечують синтез структури та властивості цементів, що є характерним для лужних в'яжучих систем.

Методи досліджень. Експериментальні дослідження виконано за допомогою сучасних фізико-хімічних методів: диференційно-термічного, рентгенофазового аналізів та електронної мікроскопії. Визначення фізико-механічних та спеціальних властивостей штучного каменю (міцності при стиску та згині, морозостійкості, корозійної стійкості) проведено за традиційними методиками згідно діючих нормативних документів. Розрахунки та оптимізацію складів композиційних в'яжучих речовин та бетонів на їх основі проведено із застосуванням математичних методів планування експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів:

- встановлено взаємозв’язок між компонентним складом в’яжучих композицій у системі “портландцементний клінкер - базальтовий компонент - лужний компонент”, з міцністю та процесами їх структуроутворення. Показано, що незалежно від виду лужного компонента (Na2СО3, К2СО3, Na2SO4 і K2SO4) процеси формування структури штучного каменю проходять у напрямку синтезу в основному низькоосновних гідросилікатних та гідроалюмосилікатних сполук перемінного складу;

- встановлено, що вид лужного компоненту значно впливає на ступінь гідратації вихідних мінеральних фаз в’яжучої системи, формування фазового складу і міцнісних характеристик штучного каменю, при цьому міцність штучного каменю та ступінь гідратації підвищується в ряду K2SO4 Na2SO4 К2СО3 Na2СО3;

- встановлено вплив виду аніону лужних компонентів на процеси структуроутворення та синтез міцності штучного каменю. Показано, що присутність сульфат-аніонів сприяє більш глибокій гідратації кристалічних фаз в’яжучої системи, підвищеному ступеню кристалізації гідросилікатів кальцію та переважному синтезу гідрогранатних та цеолітоподібних фаз типу жисмондіну та сполук складу нозеану у порівнянні з лужними компонентами, аніон яких представлений СО32, що сприяє формуванню в складі новоутворень в основному низькоосновних гідросилікатів кальцію з низьким ступенем кристалізації, кальциту та цеолітних сполук складу анальциму, жисмондіну та натроліту;

- визначено вплив виду базальтового компонента в досліджених в’яжучих системах на процеси формування структури та властивості штучного каменю. Враховуючи характер структуроутворення в різних умовах тверднення, відзначено, що на відміну від в’яжучих композицій, що містять техногенний продукт скловидної структури, в’яжучі композиції на основі природного базальту склокристалічної структури потребують обробки в умовах пропарювання та автоклавування, що забезпечує синтез цеолітних структур, а при твердненні в нормальних умовах природний базальт виконує роль кристалічних “підложок” для новоутворень, що синтезуються (гідросилікатів та гідрогранатів).

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено склади в'яжучих композицій на основі мінеральної системи “портландцементний клінкер – базальт – лужний компонент”, які залежно від структурних особливостей базальту та його вмісту в системі (50-64%) забезпечують отримання штучного каменю, міцність якого на 28 добу становить 45-67 МПа;

- розроблено методи направленої побудови та технологію отримання в'яжучих композицій із заданими властивостями залежно від виду та структури базальтового та густини лужного компонента, оптимізація складу виконана з використанням математичного методу планування експерименту;

- отримано важкий бетон міцністю при стиску на 28 добу 41-53 МПа та підвищеними корозійною стійкістю 0,92-1,07 та морозостійкістю F150-300.

Запропоновану технологію апробовано при випуску дослідної партії важкого бетону на основі лужного базальтовмісного цементу в промислових умовах на Київському об'єднанні “СПС АРСАДБУД”, що було застосовано для виготовлення підстильного шару в цеху з виробництва поризованої гуми. Використання бетону в якості підстильного шару дозволяє в 3 рази збільшити термін експлуатації підлоги (покриття) та в 2 рази зменшити собівартість загальнобудівельних робіт. Економічний ефект від впровадження розробленого базальтовмісного бетону на основі техногенного продукту скловидної структури становив 859,65 грн. або 34,4 грн. на 1 м3 бетону.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів та впровадженні розроблених матеріалів у виробництво. Особистий внесок здобувача в наукові роботи:

Із застосуванням математичних методів планування експерименту проведено оптимізацію складу лужних в’яжучих композицій із застосуванням техногенного продукту скловидної структури та базальту склокристалічної структури, визначено фізико-технічні характеристики [1, 10].

Показано можливість утилізації недороздутого базальтового волокна в складі лужного цементу [2, 3].

Встановлено принципову можливість отримання стінового каменю з використанням в’яжучої речовини на основі техногенного продукту скловидної структури [4].

Розроблено бетони, в яких як армуючий заповнювач використано техногенну сировину у вигляді недороздутого базальтового волокна та королька [11].

Встановлено оптимальні склади лужних базальтовмісних в’яжучих композицій та бетонів на їх основі [5, 6].

Досліджено морозостійкість бетонів на основі лужних базальтовмісних вяжучих композицій [7].

Досліджено взаємозвязок між компонентним складом, умовами тверднення, фазовим складом продуктів гідратації лужних вяжучих композицій на основі техногенного продукту скловидної структури та властивостями штучного каменю в умовах довготривалого тверднення [8].

Досліджено фізико-механічні характеристики та довговічність базальтовмісних лужних вяжучих композицій та бетонів на їх основі [9].

Оптимізовано склади лужних базальтовмісних цементів та бетонів на їх основі, а також технологічні параметри розроблених матеріалів [12].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були висвітлені на 61-й та 62-й науково-практичних конференціях КНУБА (2000-2001 рр.), міжнародній конференції “Композиционные материалы в промышленности” (Славполиком - 99, Київ, 1999 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы и пути реализации научно-технического потенциала ВПК” (Київ, 2000 р.), “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” (Рівне, 2001, 2003, 2004 рр.), Третій республіканській науково-технічній конференції “Індивідуальний житловий будинок” (Вінниця, 2001 р.), “Моделирование и оптимизация в материаловедении” (МОК43, Одеса, 2004 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 друкованих робіт, в тому числі 7 - у наукових фахових виданнях, 1 - в наукових журналах та збірниках, 4 - у матеріалах та тезах доповідей вітчизняних та міжнародних конференцій та семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 154 сторінках друкованого тексту основної частини, яка складається зі вступу, п’яти розділів та висновків. Повний обсяг дисертації становить 154 сторінки і включає 14 таблиць, 35 рисунків, список використаних джерел зі 139 найменувань та 5 додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету досліджень, наукову новизну, практичну значимість та основні задачі, що розв’язані у роботі.

У першому розділі наведено огляд стану наукової інформації з напрямку теми, визначено теоретичні передумови досліджень та сформульовано наукову гіпотезу напрямку роботи.

Аналіз сучасних тенденцій розвитку будівельних матеріалів показує, що вирішення актуальної задачі покращення ефективності використання сировинних матеріалів доцільно реалізовувати шляхом заміни традиційного портландцементу на конкурентноспроможні вяжучі композиції. Використання промислових відходів або більш доступної дешевої сировини природного походження, які на сьогоднішній день використовуються в виробництві будівельних матеріалів неналежним чином, дозволить підвищити продуктивність праці, знизити собівартість та покращити фізико-механічні та експлуатаційні властивості будівельних виробів, сприяючи загальному ресурсозбереженню як на стадії виробництва, так і на стадії експлуатації матеріалів.

Найефективнішими серед в’яжучих речовин, враховуючи економічні, технологічні та функціональні переваги, є змішані в’яжучі системи та бетони на основі традиційного портландцементу і пуцоланових добавок, але очевидними їх недоліками є знижені міцнісні характеристики та обмежена галузь використання в порівнянні з бездобавочними портландцементами.

Вирішення цих проблем можливе за рахунок застосування лужних в’яжучих композицій та бетонів, міцнісні характеристики, багатоцільове призначення і довговічність яких обумовлені специфікою процесів їх структуроутворення, направленого на формування в складі новоутворень поряд з низькоосновними гідросилікатами кальцію цеолітоподібних сполук. На основі визначення ролі лугів у процесах структуроутворення породоутворюючих мінеральних систем такі в’яжучі композиції запропоновані проф. В.Д. Глуховським та широко розглянуті в роботах багатьох вчених, провідними з яких є наукові праці П.В. Кривенка, Р.Ф. Рунової, Г.С. Ростовської, Ж.В. Скурчинської, В.П. Ільїна, К.К. Пушкарьової, В.А. Матвієнка, В.А. Ракши, О.Г. Гелевери, В.В. Чиркової, Т.В. Пляшечникової, Т.Г. Шевчук, Г.Р. Блажіс, О.М. Петропавловського, Т.В. Тарасової, М.А. Мохорта, К. Мунзера, Ю. Фунді та ін., а згодом розглянуті також в роботах представників інших наукових шкіл Росії, Японії, Китаю, Німеччини, Фінляндії, Польщі, Болгарії, Швеції, Канади, Нідерландів, Чехії, Словаччини.

Розвиток фізико-хімічних основ управління процесами структуроутворення таких вяжучих систем дозволив запропонувати лужні портландцементи, в основу створення яких покладено розроблені науковою школою ДНДІВМ наукові основи направленої композиційної побудови лужних мінеральних вяжучих систем, що забезпечують формування певних новоутворень і структури, які, в свою чергу, визначають необхідні властивості синтезованого штучного каменю - високу міцність, морозостійкість, довговічність тощо.

Значний інтерес у напрямку наукових розробок представляють дослідження в галузі отримання змішаних лужних портландцементів, які за своїми характеристиками не тільки не поступаються традиційному бездобавочному портландцементу, але й мають ряд переваг, обумовлених, завдяки використанню лугів, особливостями їх структуроутворення. З цієї точки зору, як компонент у вищеназваних змішаних вяжучих системах можуть використовуватись шлаки, золи, польовошпатні породи, інтрузивні та ефузивні гірські породи, зокрема, природний базальт, а також техногенні продукти його переробки - скловидні відходи виробництва теплоізоляційних виробів у вигляді недороздутого базальтового волокна, хімічний склад яких подібний до традиційних пуцолан.

Дослідженню властивостей лужних цементів, що містять природні та техногенні матеріали алюмосилікатного складу, у тому числі базальти, присвячено ряд робіт ДНДІВМ, в яких автори свідчать про перспективність використання таких матеріалів у складі шлаколужної вяжучої системи та лужних змішаних портландцементів. У порівнянні з традиційними змішаними портландцементами, що містять пуцоланові добавки штучного або природного походження, кількість яких регламентована на рівні 20-30%, розробка лужних змішаних цементів дозволяє вводити до 40-50% таких добавок без значного зниження міцнісних характеристик, що підвищує ефективність такого напрямку розробок. Такі дослідження широко розвинені в системах на основі шлаколужних вяжучих композицій, проте розробки лужних портландцементів, що містять природні та техногенні сполуки, охоплювали лише принципову можливість використання природного перліту, нефеліну, шлаків, зол, а інформації щодо використання базальтів у складі лужних портландцементів та науково обґрунтованих підходів до композиційної побудови таких цементів, які забезпечують високі експлуатаційні властивості, недостатньо, що стримує їх розвиток і впровадження у виробництво.

На основі аналізу відомої інформації, а також виходячи з хіміко-мінералогічного складу та структурних особливостей базальту (наявність скловидної або кристалічної фази), ролі лугів та солей лужних металів у формуванні структури та синтезі міцності вяжучих речовин на основі широкого спектру скловидних та кристалічних сполук, в роботі висунута наукова гіпотеза про можливість створення лужних базальтовмісних цементів, які за активністю близькі до бездобавочних портландцементів, за рахунок направленого формування композиційного складу дисперсної фази в системі “портландцементний клінкер - базальт” при вмісті клінкеру не більше 50 мас. %, а також вибору лужного компонента, які забезпечують високий ступінь гідролітичної диспергації мінеральної складової та її конденсацію в стійкі водонерозчинні новоутворення типу низькоосновних гідросилікатів, гідроалюмосилікатів та цеолітоподібних сполук, які з часом викристалізовуються з гелевидної фази та обумовлюють високу міцність, довговічність та спеціальні властивості синтезованого штучного каменю.

У другому розділі наведено характеристики застосованих сировинних матеріалів та методів досліджень.

Як об’єкти дослідження фізико-хімічних процесів структуроутворення в’яжучих композицій для виготовлення лужного цементу та бетону на його основі було використано модельні системи складу Na2O-СаО-Al2O3-SiO2-H2O, представлені лужними вяжучими композиціями, які відрізнялись структурою алюмосилікатного компонента та видом лужного компонента.

Як сировинні матеріали застосовано портландцементний клінкер Ольшанського цементного заводу по ДСТУ Б В.2.7-46. Як алюмосилікатний компонент використовували дрібняк гірської породи з родовища Іванова Долина (Рівненська область, Україна), що є характерним представником середньовязких базальтових гірських порід склокристалічної структури, та техногенний продукт його переробки в вигляді недороздутого базальтового волокна скловидної структури. Як лужні компоненти використовували водні розчини солей Na2СО3, К2СО3, Na2SO4 та K2SO4 густиною 1100-1180 кг/м3. Як добавку-пластифікатор використовували лігносульфонат натрію технічний (ЛСТ за ГОСТ 24211). Як дрібний заповнювач використовували дніпровський кварцовий пісок, що відповідає вимогам ДСТУ Б В.2.7-32, та крупний заповнювач - гранітний щебінь фракцій від 5 до 10 мм та від 10 до 20 мм за ДСТУ Б В.2.7-75.

В’яжучі композиції в співвідношенні 3:1, 1:1, 1:3 (портландцементний клінкер : базальт склокристалічної структури або техногенний продукт його переробки скловидної структури) готували сумісним помелом у кульовому млині до питомої поверхні 350-550 м2/кг за Блейном.

Підбір складу вяжучих композицій та бетонів, виготовлення зразків та визначення їх властивостей проводили згідно діючих нормативних документів: міцність зразків при стиску та згині - за ГОСТ 10180, підбір складу бетону згідно вимог РСН 336, ГОСТ 26633 та ГОСТ 27006, корозійну стійкість бетону - за ГОСТ 25881, морозостійкість - за ДСТУ Б В.2.7-47 та ДСТУ Б В.2.7-48.

Розпалублені зразки витримували за одним з трьох режимів: автоклавування при надлишковому тиску 0,8 МПа та температурі 174С, пропарювання при температурі 80С; тверднення в нормальних умовах протягом 28 діб.

Склад новоутворень лужних вяжучих композицій та продуктів їх дегідратації вивчали за допомогою рентгенофазового, диференційно-термічного аналізів та електронної мікроскопії.

За допомогою математичного моделювання для кожної з систем були побудовані діаграми залежності міцності зразків при стиску від обраних факторів (вміст базальту та кількість лужного компоненту) та визначені області максимальних значень міцності.

У третьому розділі наведено результати досліджень впливу вмісту базальту та виду лужного компонента на активність вяжучої системи залежно від структури базальту та виду катіону та аніону лужного компонента, умов тверднення, а також їх взаємозвязок із процесами структуроутворення.

В звязку з тим, що при введені лужних компонентів до складу таких систем у вигляді водних розчинів відбувається швидке тужавлення системи, до складу дисперсійного середовища вводили добавку-уповільнувач - лігносульфонат натрію технічний (ЛСТ), оптимальна кількість якої в перерахунку на суху речовину для всіх систем складала до 1% від маси в’яжучої речовини (клінкер + базальт).

Виявлено, що в розглянутій області вмісту базальту, незалежно від його структурної побудови, показники міцності підвищуються в ряду: K2SO4 Na2SO4 K2CO3 Na2CO3. При використанні техногенного продукту скловидної структури активність вяжучої системи в тісті нормальної густоти становить 18-95 МПа, а при використанні базальту склокристалічної структури - 15-48 МПа.

Встановлено, що на відміну від вяжучих систем, що містять техногенний продукт скловидної структури, використання базальту склокристалічної структури в межах 25-50% від вмісту портландцементного клінкеру не впливає значно на активність (міцність) вяжучих композицій. Так, в області, що характеризує високий ступінь наповнення вяжучої системи базальтовим компонентом склокристалічної структури (50 мас. %), міцність зразків становить 34-40 МПа, тоді як використання техногенного продукту скловидної структури забезпечує досягнення міцності штучного каменю в межах 40-60 МПа.

Аналізуючи результати наведених досліджень, треба відзначити, що в композиційній побудові вяжучих систем, що містять базальтовий компонент та карбонатні або сульфатні солі лужних металів, можна виділити область вмісту базальту (50% від маси клінкерної складової), в якій міцнісні характеристики не тільки відповідають вимогам для портландцементних та шлаколужних вяжучих композицій, але й перевищують їх. Тому подальші дослідження були направлені на визначення взаємозвязку процесів структуроутворення і набуття міцнісних характеристик штучного каменю на основі високонаповнених базальтом (50% і більше) лужних цементів у залежності від структури базальтового та виду лужного компоненту, а також умов тверднення.

Дослідження взаємозв’язку процесів структуроутворення та набору міцності вяжучих систем складу 50:50% “портландцементний клінкер - техногенний продукт скловидної структури - лужний компонент” показує, що в присутності Na2CО3, К2СО3, Na2SO4, K2SO4 процеси формування структури штучного каменю протікають в основному в напрямку синтезу низькоосновних гідросилікатів кальцію тоберморитової групи CSH(I) (d=0,305; 0,278; 0,182 нм), афвіліту 3CaO·2SiO2·3H2O (d=0,64; 0,578; 0,393; 0,370; 0,329; 0,305; 0,274 нм), гілебрандіту 2CaO·SiO2·H2O (d=0,405; 0,352; 0,334; 0,292; 0,237 нм), ксоноліту 6CaO·6SiO2·H2O (d=0,307; 0,204; 0,195; 0,1756; 0,165; 0,157 нм), а також цеолітоподібних новоутворень - жисмондіну 3CaО·Al2О3·4SiO2·4H2O (d=0,480; 0,448; 0,426; 0,30; 0,292; 0,261 нм), калієвого натроліту K2О·Al2О3·3SiО2·2H2O (d=0,58; 0,45; 0,38; 0,339 нм), анальциму Na2O·Al2О3·4SiО2·H2O (d=0,560; 0,390; 0,343; 0,337; 0,305; 0,273; 0,247; 0,174 нм), гідрогранату 3CaО·Al2О3·1,6SiO2·2,8H2O (d=0,337; 0,305; 0,273; 0,247 нм)

Встановлено, що як катіон, так и аніон лужного компоненту суттєво впливають на ступінь гідратації мінеральних фаз дисперсій, формування фазового складу та міцнісні характеристики штучного каменю. При цьому міцність штучного каменю, ступінь гідратації базальтового компоненту і формування низькоосновних гідросилікатних сполук та цеолітів у складі тверднучої вяжучої системи підвищується в ряду: K2SO4 Na2SO4 К2СО3 Na2CО3. Це підтверджується аналізом втрати маси вяжучих композицій на ДТГ-кривих. Так, кількість видаленої води в вяжучих композиціях зменшується в ряду Na2CО3 К2СО3 Na2SO4 K2SO4 (відповідно 7,7; 7,3; 6,5; 5,9 мас. %).

Аналіз мікроструктури штучного каменю (рис. 1) на основі мінеральної системи “портландцементний клінкер - техногенний продукт скловидної структури” та карбонатних або сульфатних сполук натрію показує наявність крупноблочної щільно компонованої структури каменю. Новоутворення мають неправильну форму, що характерно для кальцієвих гідросилікатів з низьким ступенем упорядкованості структури та тобермориту, які знаходяться в субмікрокристалічному стані.

а) | б)

Рис. 1 | Електронні фотографії (Ч500) поверхні сколу штучного каменю на основі вяжучої композиції “портландцементний клінкер - техногенний продукт скловидної структури”, гідратованої в умовах нормального тверднення на 28 добу в присутності Na2CО3 (а) та Na2SO4 (б)

Це сприяє кращому зчепленню часток між собою і підвищенню їх щільності, що позитивно впливає на міцність зразків досліджених матеріалів, яка знаходиться в межах 35-60 МПа. Дослідження активності та процесів формування фазового складу та структури розглянутих вяжучих систем в умовах пропарювання та автоклавування свідчить, що протікання процесів має ті самі риси, як і при твердненні вяжучих композицій у нормальних температурно-вологісних умовах.

При цьому формування фазового складу і міцності штучного каменю в умовах пропарювання та автоклавування характеризується більш глибоким проходженням процесів гідратації та ступенем упорядкованості синтезованих структур, при цьому міцність зразків вяжучих композицій становить 40-95 МПа.

Аналіз взаємозвязку процесів структуроутворення та міцності штучного каменю в системі “портландцементний клінкер - базальт склокристалічної структури - лужний компонент” свідчить про наявність у структурі каменю, що тверднув у нормальних умовах (рис. 2), блочних новоутворень у вигляді розрізнених округлих сферолітоподібних “острівців” та пластинчатих утворень, розміри і кількість яких дозволяють судити про знижений ступінь гідратації вяжучої композиції і неоднорідності синтезованої структури (у порівнянні зі зразками, що містять техногенний продукт скловидної структури).

а) | б)

Рис. 2 | Електронні фотографії (Ч541) поверхні сколу штучного каменю на основі вяжучої композиції “портландцементний клінкер - базальт склокристалічної структури”, гідратованої в умовах нормального тверднення на 28 добу в присутності Na2CО3 (а) та Na2SO4 (б)

Це відображується на міцності штучного каменю, яка знаходиться у межах 27-37 МПа.

Аналіз фазового складу і структури зазначених в'яжучих систем, що тверднули в умовах пропарювання та автоклавування, свідчить про проходження реакцій, пов'язаних практично з повною перебудовою кристалічної фази природного базальту. Про це свідчить повне зникнення дифракційних максимумів, характерних для кристалічних сполук природного базальту, альбіту Na2O·Al2O3·6SiO2 (d=0,255; 0,205; 0,164 нм) та анортиту CaO·Al2O3·SiO2 (d=0,368; 0,184; 0,166 нм), а також підвищення міцності зразків до 35-44 МПа.

Встановлено вплив структурних особливостей базальту склокристалічної структури на процеси структуроутворення. Визначено, що процеси формування структури штучного каменю протікають в основному в напрямку синтезу низькоосновних гідросилікатів кальцію тоберморитової групи CSH(I) (d=0,3066; 0,280; 0,182 нм), 2CaO·SiO2·(0,26-1)H2O--гідрату С2S (d=0,382; 0,270; 0,247; 0,189 нм), гироліту 2CaO·3SiO2·2H2O (d=0,46; 0,42; 0,38; 0,336; 0,244; 0,229; 0,206; 0,181 нм), тоберморитового гелю (d=0,304; 0,278; 0,182 нм), а також цеолітоподібних сполук - анальциму Na2O·Al2O3·4SiO2·H2O (d=0,56; 0,343; 0,293; 0,22; 0,190 нм), кальцієвого цеоліту жисмондіну 3CaО·Al2О3·4SiO2·4H2O (d=0,74; 0,49; 0,422; 0,328; 0,273 нм), шабазиту (d=0,431; 0,357; 0260; 0,228 нм), гідрогранату 3CaO·Al2O3·1,6SiO2·2,8H2O (d=0,272; 0,252; 0,187; 0,164 нм), наявність дифракційних максимумів на РФА-кривих свідчить про неповну перебудову калієвого натроліту K2О·Al2О3·3SiО2·2H2O (d=7,03; 0,453; 0,330; 0,252 нм) на відміну від анальцимподібних сполук, які формуються в структурі каменю, що містить техногенний продукт скловидної структури.

Визначено, що тип катіону лужного компоненту впливає на ступінь упорядкування структури (закристалізованість) гідросилікатних фаз системи, підвищуючи її при переході від Na+ до К+, а також на їх основність, знижуючи останню при переході від К+ до Na+. Також встановлено, що зміна катіону лужного компонента в напрямку К+ Na+ сприяє формуванню мікроструктури каменю з підвищеною однорідністю і дисперсністю новоутворень.

Роль типу аніону лужного компонента полягає в регулюванні швидкості гідратації і спрямованості синтезу новоутворень цеолітового ряду з формуванням карбонатних сполук у випадку використання карбонатних солей, та сульфатних у випадку використання сульфатів натрію та калію.

Генезис фазового складу і структури штучного каменю, що містять техногенний продукт скловидної структури, після 4 років тверднення розвивається в напрямку зміни основності гідросилікатних новоутворень і перерозподілу вмісту фаз гідросилікатного і гідроалюмосилікатного складу в бік підвищення кількості останніх. Такий розвиток процесів структуроутворення сприяє синтезу високої міцності (75 МПа) такого штучного каменю.

Узагальнюючи зазначені процеси формування фазового складу, структури та міцнісних характеристик досліджених в'яжучих систем, можна з упевненістю сказати, що структуроутворення та синтез властивостей розглянутих в'яжучих композицій відповідає основним закономірностям, які є характерними для лужних в'яжучих систем, але відрізняються формуванням дрібнодисперсних структуроутворюючих сполук, а також синтезом у продуктах гідратації поряд з гідросилікатними фазами також лужних та змішаних лужно-лужноземельних гідроалюмосилікатних сполук.

Четвертий розділ присвячений розробці та оптимізації складів базальтовмісних вяжучих композицій та бетонів на їх основі, а також дослідженню їх властивостей.

В проведених за допомогою математичного планування експерименту дослідженнях з оптимізації складу вяжучих композицій з високим вмістом базальтового компонента різної структури розглянуто зміну міцностних характеристик вяжучих композицій складу 1:3 (вяжуча речовина : пісок), в яких вміст техногенного продукту скловидної структури та базальту склокристалічної структури змінювали в межах значень 50-75 мас. %, а густину водних розчинів лугів - в межах 1100-1180 кг/м3 (рис. 3, 4).

Аналіз побудованих діаграм (рис. 3) дозволяє зазначити, що область оптимальних складів вяжучих композицій, які представляють практичний інтерес, досягається при вмісті базальту склокристалічної структури - 50-61 мас. % та густині розчину сульфата натрію - 1110-1135 кг/м3 (рис. 3, б), карбоната натрію - 1170-1180 кг/м3 (рис. 3, а), що дозволяє отримувати штучний камінь, міцність при стиску якого знаходиться в межах значень 30-40 МПа (рис. 3, а) та 20-38 МПа (рис. 3, б).

При зміні алюмосилікатного компоненту (рис. 4) область оптимальних складів вяжучих композицій, які представляють практичний інтерес, досягається при вмісті техногенного продукту скловидної структури - 50-64 мас. % та густині розчину лужного компонента сульфата натрію - 1100-1140 кг/м3 (рис. 4, г), карбоната натрію - 1160-1180 кг/м3 (рис. 4, в).

а) | б)

Рис. 3 | Зміна міцності зразків цементно-піщаного розчину залежно від вмісту базальту склокристалічної структури (50-75%) та густини розчину (1100-1180 кг/м3) лужного компоненту Na2CО3 (а) та Na2SO4 (б)

Це дозволяє отримувати штучний камінь, міцність при стиску якого знаходиться в межах значень 36-52 МПа (рис. 4, в) та 31-47 МПа (рис. 4, г).

Оптимізовано технологічні параметри виготовлення дисперсної фази вяжучих систем та встановлено, що зміна питомої поверхні з 350 м2/кг до 550 м2/кг за Блейном дозволяє підвищити міцнісні характеристики штучного каменю на 16-20%. Встановлено, що оптимальною є питома поверхня 450 м2/кг за Блейном.

Визначено основні фізико-технічні характеристики оптимізованих складів цементів та показано, що терміни їх тужавлення знаходяться в межах: початок - 50 хв. - 1 год. 15 хв., кінець - 1 год. 55 хв. - 3 год. 45 хв., що задовольняє вимогам ДСТУ Б В.2.7-46 для традиційного портландцементу, а міцність на 28 добу за ГОСТ 310.4-81 становить 49-53 МПа.

Аналіз зміни міцності розроблених цементів показує, що на протязі 4 років незалежно від виду лужного компонента і структури базальту міцність зразків постійно зростає і перевищує в середньому на 15-35% міцність зразків на основі традиційного портландцементу М400.

в) | г)

Рис. 4 | Зміна міцності зразків цементно-піщаного розчину залежно від вмісту техногенного продукту скловидної структури (50-75%) та густини розчину (1100-1180 кг/м3) лужного компоненту Na2CО3 (в) та Na2SO4 (г)

Таблиця 1

Фізико-механічні властивості бетонів

Склад вґяжучої речовини | Вид лужного компонента | Середня густина бетону, кг/м3 | Міцність зразків, МПа, після

пропарю-вання | 28 діб нормального тверднення

лужний портландцемент з використанням базальту

склокристалічної структури | Na2SО4 | 2450 | 35 | 41

Na2СО3 | 2400 | 36 | 41

лужний портландцемент з використанням техногенного продукту скловидної структури | Na2SО4 | 2460 | 38 | 43

Na2СО3 | 2410 | 47 | 53

портландцемент М400 | вода | 2380 | 37 | 43

Встановлено, що при вмісті цементу в складі бетонів 400 кг/м3 (табл. 1) зразки на 28 добу характеризуються міцністю при стиску в межах значень 41-53 МПа, морозостійкістю F150-300, коефіцієнтом корозійної стійкості 0,92-1,07.

В п’ятому розділі наведено технологічні вимоги до виготовлення важкого бетону, а також результати його дослідно-промислового впровадження .

Розроблений бетон виготовляли за технологічною схемою, яка включає сумісний помел в’яжучої речовини складу 1:1 (портландцементний клінкер + техногенний продукт скловидної структури) до питомої поверхні 450 м2/кг за Блейном, приготування лужного розчину із введенням до нього добавки ЛСТ, змішування всіх інгредієнтів бетонної суміші та подачу в кількості 1,5 м3 на пост формування. Виготовлений бетон використовували як підстильний шар під керамічне покриття в цеху з виробництва поризованої гуми на Київському промисловому об’єднанні “СПС АРСАДБУД” (загальна площа 25 м2). Після 18 місяців та 3,5 років експлуатації не виявлено деформування або інших ознак руйнування підстильного шару, що підтверджує можливість використання запропонованого складу бетону на основі лужного цементу з використанням техногенного продукту скловидної структури як альтернативу бетонам на основі традиційного та пуцоланового портландцементу. Економічний ефект від впровадження розробленого базальтовмісного бетону на основі техногенного продукту скловидної структури становив 859,65 грн. або 34,4 грн. на 1м3 бетону.

ВИСНОВКИ

1. Теоретично обґрунтована та експериментально підтверджена можливість отримання ефективних лужних базальтовмісних цементів та бетонів на їх основі за рахунок направленого формування структури вяжучих композицій залежно від виду базальтового компоненту.

2. Встановлено взємозвязок впливу структурних характеристик базальтової сировини та виду лужного компоненту на процеси гідратації та синтез міцності вяжучих композицій в системі “портландцементний клінкер - базальтовий компонент - лужний компонент”. Визначено, що в присутності сполук Na2CО3, К2СО3, Na2SO4 та K2SO4 процеси формування структури штучного каменю відбуваються в напрямку синтезу низькоосновних гідросилікатних сполук, гідрогранатних фаз та цеолітоподібних сполук. Показано, що міцність штучного каменю, ступінь гідратації, формування низькоосновних гідросилікатних сполук та цеолітоподібних фаз у складі вяжучих систем збільшується залежно від структури базальтового компонента в ряду: техногенний продукт переробки скловидної структури базальт склокристалічної структури та виду катіону та аніону лужного компонента в напрямку K2SO4 Na2SO4 К2СО3 Na2CО3.

3. Встановлено, що присутність сульфат-аніонів сприяє розвитку структури вяжучих композицій на 28 добу з низьким ступенем однорідності та щільності в зв’язку з тим, що в структурі каменю значно переважає кристалічна гідратна фаза гідросилікатного та гідрогранатного складу, присутність же карбонатних сполук навпаки сприяє утворенню більш однорідної структури з переважною кількістю низькоосновних гідросилікатів кальцію з різним ступенем упорядкування структури та сполук цеолітового ряду, що виявляється в різниці міцнісних характеристик синтезованого штучного каменю.

4. Встановлено, що незалежно від виду аніону лужного компонента вид катіону впливає на ступінь упорядкування структури гідросилікатних фаз, підвищуючи його при переході від Na+ до К+, а також на основність фаз, що утворюються, та навпаки знижує його при переході від К+ до Na+, при цьому зміна катіону в напрямку К+ Na+ сприяє формуванню мікроструктури каменю з підвищеною однорідністю та дисперсністю новоутворень, які забезпечують високі показники міцності синтезованого штучного каменю.

5. Показано, що в розглянутій системі “портландцементний клінкер - базальтовий компонент - лужний компонент”, де кількість базальту знаходиться в області високого наповнення в складі вяжучих композицій (50 мас. % і більше), міцність штучного каменю після тверднення в нормальних умовах знаходиться в межах 38-56 МПа залежно від виду лужного компонента. Такі значення міцності характерні для шлаколужних вяжучих композицій та вяжучих композицій на основі традиційного портландцементу.

6. Встановлено, що розвиток структуроутворюючих процесів досліджених вяжучих композицій з часом забезпечує стабільний та інтенсивний набір міцності. Генезис фазового складу і структури штучного каменю, що містять природний базальт склокристалічної структури та техногенний продукт його переробки скловидної структури, після 4 років тверднення розвивається в напрямку зміни основності гідросилікатних новоутворень і перерозподілу вмісту фаз гідросилікатного і гідроалюмосилікатного складу в бік підвищення кількості останніх. Такий розвиток процесів структуроутворення сприяє високій міцності штучного каменю, яка знаходиться в межах 57-95 МПа.

7. Оптимізовано склади вяжучих композицій на основі природного базальту склокристалічної структури та техногенного продукту його переробки скловидної структури показники міцності яких після тверднення в нормальних умовах знаходяться в межах 20-40 МПа та 31-52 МПа. Показано, що область оптимальних складів розроблених вяжучих композицій, які представляють практичний інтерес, досягається при вмісті базальту склокристалічної структури - 50-61 мас. % та густині розчину сульфата натрію - 1110-1135 кг/м3, карбоната натрію - 1170-1180 кг/м3 та 50-64 мас. % при вмісті техногенного продукту скловидної структури та густині розчину лужного компонента сульфата натрію - 1100-1140 кг/м3 (рис. 4, г), карбоната натрію - 1160-1180 кг/м3. При цьому терміни тужавлення вяжучих композицій, що містять базальт склокристалічної структури, знаходяться в межах: початок - 50 хв. - 1 год. 15 хв., кінець - 1 год. 55 хв. - 3 год. 45 хв., що задовольняє вимогам ДСТУ Б В.2.7-46 для традиційного портландцементу.

8. Доведено, що на протязі всього періоду досліджень міцність лужних базальтовмісних вяжучих композицій постійно зростає без різких коливань і після 4 років випробувань переважає на 26-35% міцність зразків на основі традиційного портландцементу.

9. Розроблено бетони на основі лужних базальтовмісних цементів, міцність при стиску яких на 28 добу становить 41-53 МПа, марка за морозостійкістю F150-F300, коефіцієнт корозійної стійкості 0,92-1,07.

10. Ґрунтуючись на результатах проведених досліджень, розроблено технологію виготовлення лужних базальтовмісних цементів та важких бетонів на їх основі. Проведено дослідно-промислове впровадження розробленого бетону з використанням у складі в’яжучої речовини техногенного продукту скловидної структури на Київському об'єднанні “СПС АРСАДБУД”, який використовували як підстильний шар в цеху з виробництва поризованої гуми.

Економічний ефект від впровадження розробленого базальтовмісного бетону на основі техногенного продукту скловидної структури становив 859,65 грн. або 34,4 грн. на 1м3 бетону.

Основні положення дисертації викладено у працях:

1. Мохорт М.А., Дейнеко Д.Є. Математичне моделювання композиційних конструкційних матеріалів з використанням відходів виробництва базальтового волокна // Будівництво України. - 1999. - № 6. - С. 42-45.

2. Мохорт М.А., Дейнеко Д.Є. Шляхи утилізації мінеральних волокнистих відходів // Тез. докл. “Композиционные материалы в промышленности” (Славполиком-99). – К.: - 1999. - С. 117-118.

3. Мохорт М.А., Дейнеко Д.Є. Утилизация отходов производства базальтового волокна в геоцементных композиционных материалах // Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. “Проблемы и пути реализации науч.-техн. потенциала ВПК”, 15-17 марта 2000. - С. 113-114.

4. Мохорт Н.А., Дейнеко Д.Е. Стеновой камень для малоэтажного строительства на основе отхода производства базальтового супертонкого волокна и щелочного портландцемента // Конструкции