ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ковальський віктор павлович

УДК 666.952:691.333

КАРБОНАТНИЙ БЕТОН НА ЗОЛОЦЕМЕНТНОМУ В’ЯЖУЧОМУ, МОДИФІКОВАНОМУ ЛУЖНОЮ АЛЮМОФЕРИТНОЮ ДОБАВКОЮ

05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ВІННИЦЯ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Друкований Михайло Федорович,

Вінницький національний технічний університет, професор кафедри промислового та цивільного будівництва

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор

Сердюк Василь Романович,

Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри менеджменту будівництва, охорони праці та безпеки життєдіяльності–

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Червяков Юрій Миколайович,

Український науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут будівельних матеріалів та виробів “НДІБМВ”, м. Київ, заступник директора з наукової роботи

Провідна установа – Одеська державна академія будівництва та архітектури, кафедра виробництва будівельних виробів і конструкцій, Міністерство освіти і науки України, м. Одеса.

Захист відбудеться „ 27 квітня 2007 р. о 1700 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К .052.04 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, вул. Хмельницьке шосе, 95, ауд.  ГУК.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, вул. Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий „ 23 березня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Швець В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку будівельної галузі, у зв’язку зі зростанням вартості енергоносіїв, зростає вартість будівельних матеріалів і виробів. Одним із напрямків зниження їх собівартості є зменшення витрат енергоємних компонентів за рахунок використання побічних продуктів промисловості, таких як відходи енергетичної промисловості (зола-винесення), металургійної промисловості (бокситовий шлам) та видобувної промисловості (відходи каменерізання). Їх переробка і застосування вигідні як з економічної, так і екологічної точки зору, адже відбувається звільнення площ значних земельних угідь від накопичених відвалів шкідливих техногенних відходів і зниження витрат на їх складування та утримання. В Україні із 1,5 млрд. т природних ресурсів, які щорічно використовуються у виробництві, більша частина йде у відходи. Обсяг накопичених твердих відходів добувної, енергетичної, металургійної та інших галузей промисловості перевищує 17 млрд. т і щорічно зростає на 1 млрд. т.

Економічні та екологічні проблеми, пов’язані з виробництвом портланд-цементу, обумовлюють необхідність його заміни на композиційні в’яжучі системи. Засто-су-вання композиційних в’яжучих дозволяє, при незначних витратах цементу, отри-му-вати ефективні низькомарочні в’яжучі із заданими фізико-механічними властивостями.

Використання відходів паливно-енергетичного комплексу України регламен-тується відповідною Державною програмою (Постанова КМУ від 15.09.99 р. № ). Одним із перспективних напрямків застосування промислових відходів є їх використання у виробництві будівельних матеріалів, що дає змогу задовольнити потребу у сировині приблизно на 40Залучення відходів промисловості сприяє зниженню витрат на виробництво виробів приблизно на 10...30порівняно з виробництвом із природної сировини, економія капіталовкладень при цьому становить 35...40

Тому сьогодні особливу актуальність набуває здійснення нових наукових розробок, спрямованих на створення ефективних будівельних матеріалів та ресурсозбері-гаючих технологій з мінімальним вмістом енергоємних компонентів. Заміна енергоємних компонентів відходами виробництва за рахунок їх активації дозволить вирішити прикладні задачі використання відходів промисловості в будівельному комплексі України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Розробка і дослідження дрібнозернистого карбонатного бетону на золоцементному в’яжучому, модифікованому лужною алюмоферитною добавкою, виконувались відповідно до держбюджетної програми Міністерства освіти і науки України „Нові технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та аграрно-промисловому комплексі” (номер державної реєстрації 0104U000744): тема „Розробка теорії арму-вання та ущільнення композиційних матеріалів з метою підвищення їх несучої спроможності при динамічних і статичних навантаженнях” – 2004-2006 роки. У зазначеній роботі автор виконував обов’язки виконавця.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка дрібнозернистого карбонатного пресованого бетону (шламозолокарбонатного (ШЗК)) для стінових виробів на основі карбонатних відходів каменерізання та ефективного малоклінкерного золоцементного в’яжучого.

Відповідно до поставленої мети дисертаційної роботи сформульовані такі задачі досліджень:

- проаналізувати використання техногенних відходів енергетичної промисловості (золи-винесення), металургійної промисловості (бокситового шламу) та видобувної промисловості (відходів каменерізання карбонатних порід) у виробництві в’яжучих та бетонів;

- розробити методику визначення оптимальних параметрів пресування у залеж-нос-ті від рецептурно-технологічних факторів шламозолокарбонатної прес-суміші;

- дослідити можливість активації золоцементної композиції лужною алюмо-феритною добавкою та виявити закономірності її впливу на фазовий склад новоутворень і фізико-механічних характеристик штучного каменю золо-цементного в’яжучого;

- розробити і оптимізувати склад компонентів ефективного низькомарочного золо-це-ментного в’яжучого, модифікованого лужною алюмоферитною добавкою;

- встановити оптимальний склад компонентів, параметри технологічних режи-мів виготовлення виробів, з використанням методів математичного моделювання, та дослідити властивості композиційного шламозоло-карбонатного бетону;

- визначити показники техніко-економічної ефективності ресурсозберігаючої технології виготовлення дрібноштучних стінових виробів на основі шламозолокарбонатного бетону.

Об’єктом досліджень є дрібнозернистий прес-бетон на основі комплексного низькомарочного в’яжучого з техногенних відходів промисловості.

Предмет дослідження – закономірності формування фазового складу новоутворень і властивостей карбонатного пресованого бетону на золоцементному в’яжучому, модифікованому лужною алюмоферитною комплексною добавкою.

Методи досліджень. Експериментальні дослідження виконано за допомогою сучасних методів фізико-хімічного аналізу: рентгенофазового та диференційно-термічного аналізу. Визначення фізико-механічних властивостей (середня густина, пористість, водопоглинання, міцність при стиску, при згині та ін.) проведено за традиційними методиками згідно діючих нормативних документів. Розрахунки та оптимізацію складів золоцементних в’яжучих речовин, модифікованих лужною алюмоферитною добавкою, та карбонатних бетонів на їх основі проведено із застосуванням експериментально-статистичних методів планування експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів:

- теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено можливість хімічної активації золи-винесення лужною алюмоферитною комплексною добавкою, що приводить до збільшення кількості активного кремнезему та глинозему;

- виявлено вплив бокситового шламу на фазовий склад новоутворень золоцементного в’яжучого, що представлені алюмозалізовміщуючими гідро-гранатами, залізовміщуючими гідросилікатами, гідроалюмінатами та гідро-феритами кальцію, які покращують макроструктуру золошламового в’яжучого за рахунок створення додаткових активних центрів кристалізації;

- встановлено залежність зміни міцності в’яжучого від вмісту золи-винесення і бокситового шламу, в результаті чого отримано ефективне малоклінкерне золоцементне в’яжуче з необхідними показниками міцності;

- виявлено закономірності зміни фізико-механічних властивостей шламозоло-карбонатного бетону в залежності від складу компонентів та технологічних параметрів виготовлення, які дозволяють отримати новий штучний камінь з необхідними властивостями;

- вдосконалено ресурсозберігаюча технологія виготовлення пресованих стінових виробів зі шламозолокарбонатного бетону, який містить до 90техногенних відходів промисловості, що дозволило залучити в технологічний процес відходи енергетичної, металургійної та видобувної промисловості.

Новизна роботи підтверджена деклараційним патентом України на корисну модель № U „Суміш для виготовлення будівельних виробів”.

Практичне значення отриманих результатів:

- розширено сировинну базу компонентів для бетонів за рахунок використання у їх складі до 90техногенних відходів промисловості;

- розроблено ефективне низькомарочне золошламове в’яжуче;

- запропоновано та апробовано методику визначення оптимальних параметрів пресування в залежності від фізико-механічних властивостей прес-суміші шламозолокарбонатного бетону;

- обґрунтовано параметри технологічних режимів виготовлення виробів із карбонатного бетону на золоцементному в’яжучому, модифікованому лужною алюмоферитною комплексною добавкою;

- для організації промислового виробництва цегли розроблено технологічний регламент, який підтвердив можливість отримання у дослідно-промислових умовах шламозолокарбонатного бетону і виробів на його основі;

- розрахунковий економічний ефект від виготовлення виробів на основі шламозолокарбонатного бетону в порівнянні із керамічною цеглою, при проектній потужності 4,311 млн. штук стінових виробів на рік, складає близько 306,6 тис. грн., в тому числі ефект від скорочення економічних збитків, що наноситься навколишньому середовищу.

За результатами досліджень згідно розробленого технологічного регламенту випущено на підприємстві ПП „Січ” дослідну партію цегли, яку використано КБМП „БМУ-2” при будівництві Торгового комплексу в м. Вінниці. Ці вироби можуть бути рекомендовані до широкого впровадження на підприємствах будівельної індустрії України. Результати досліджень, отримані в дисертаційній роботі, використовуються в навчальному процесі ВНТУ при вивченні дисциплін: „Будівельні матеріали і вироби” та „Виробнича база будівництва”.

Особистий внесок здобувача полягає у вивченні стану проблеми, виконанні експериментальних досліджень, аналізі та обробці одержаних результатів, а також у впроваджені результатів досліджень у виробництво.

Особистий внесок здобувача в наукові праці:

- Встановлено характеристики компонентів. Запропоновано сумісне використання відходів промисловості для отримання дрібноштучних стінових виробів].

- Розроблено склад ефективного низькомарочного в’яжучого та досліджено його властивості [3].

- Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено процес активації золи-винесення. Проведена оптимізація вмісту золи-винесення і бокситового шламу [4,8,].

- Розроблений і оптимізований склад та досліджено макроструктуру карбонатного бетону [5,7].

- Визначені основні технологічні фактори, які впливають на властивості карбонатного бетону [10].

- Розроблено склад в’яжучого з відходів промисловості для дорожнього будів-ництва з використанням алюмоферитної добавки [6].

- Доведено вплив комплексної алюмоферитної добавки на властивості золо-цементного в’яжучого [11].

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідалися й обговорювалися: на міжнародних конференціях і семінарах: „Моделювання й оптимізація в матеріалознавстві” (Одеса, ОДАБА, 2004, 2005), „Наука і освіта 2005” (Дніпропетровськ, Наука і освіта, 2005), „Сучасні технології, матеріали і конструкції в будівництві” (Вінниця, ВНТУ, 2003), “Оздоблювальні роботи у будівництві” (Вінниця, ВНТУ, 2004); на науково-технічних конференціях і семінарах професорсько-викладацького складу Вінницького національного технічного університету (Вінниця, 2001-2006 рр.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 наукових праць, у тому числі: 4 публікації у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України для публікації результатів дисертаційних досліджень, 1 деклараційний патент та 6 публі-кацій в матеріалах доповідей і тез науково-технічних конференцій та семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційну роботу викладено на 142 сторін-ках основної частини і складається із переліку умовних позначень, вступу, п’яти розділів, висновків і включає 24 таблиці та 41 рисунок. Повний обсяг дисер-тації становить 189 сторінок і містить разом із основною частиною перелік вико-риста-них джерел із 186 найменувань на 20 сторінках та дев’ять додатків на двадцяти двох сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність наукової роботи, сформульовані мета і зада-чі досліджень, розкрито наукову новизну і практичне значення отриманих резуль-татів, приведені відомості про публікації наукових результатів та апробацію дисертації.

В першому розділі викладено сутність наукової проблеми, її значення і підстави для необхідності проведення досліджень. Теоретично обґрунтовано наукову гіпотезу дисертаційної роботи.

У дисертаційній роботі, як методична основа досліджень, використовується загальна теорія штучних будівельних конгломератів (ШБК) І.А. Риб’єва. Згідно з структурною теорією пресовані композиції на основі мінеральних в’яжучих слід віднести до безвипалювальних будівельних конгломератів щільної структури.

Для розробки дрібнозернистого карбонатного бетону на золоцементному в’яжучому, модифікованому лужною алюмоферитною добавкою, для пресованих виробів було проаналізовано утворення золи-винесення, бокситового шламу та карбонатних відходів і їх використання у виробництві в’яжучих та бетонів.

Електростанція середньої потужності дає в рік близько 600 тис. т відходів у вигля-ді золошлакових сумішей, які займають близько 6 га плодоносних земель (К.К. Пушкарьова). Золи-винесення теплових електростанцій України – це скло-по-діб-ні низькокальцієві алюмосилікатні речовини, представлені дрібно-дис-персни-ми по-рошка-ми. Загальною характеристикою паливних золошлакових сумішей України є їх приналежність до класу кислих та ультракислих. При затворенні водою вони не тверд-нуть і практично не здатні до гідратоутворення (О.В. Волженський). Реакційна здат-ність золи-винесення забезпечується лужним розчином, видом відповідних до-ба-вок і залежить від іонної сили алюмосилікатної складової та характеру лужного ком-поненту (П.В. Кривенко, Л.Й. Дворкін). Досвід вивчення цементнозольних в’я-жу-чих свідчить про те, що зола, сорбуючи з гідратованого цементу розчинні лу-ги, бе-ре участь в утворенні стійких, водонерозчинних гідроалюмо-силікатів (А.М. Сергеєв).

На відміну від хімічних, механохімічні методи підвищення поверхневої активності дисперсних матеріалів більш результативні і технічно доцільні (М.В. Михайлов, І.В. Барабаш, С.І. Федоркін, Г.С. Ходаков).

Усе це визначає необхідність переробки зол ТЕЦ України в багатотонажному виробництві, наприклад, при виготовленні в’яжучих, бетонів та виробів на їх основі.

Також розглянуто використання бокситового (червоного) шламу при вироб-ництві будівельних мате-ріалів на основі відомих робіт М.І. Бураєва, В.І. Корнєєва, Б.П. Парімбетова, Г.Т. Пужанова та ін., в яких досліджується супутній продукт при переробці бокситів на глинозем – червоний шлам. Червоний бокситовий шлам є масовим техногенним відходом алюмінієвої промисловості, який за рахунок своїх фізико-хімічних властивостей здатний впливати на властивості бетонів. Спрямованих комплексних розробок його використання для активації золи-винесення, а також для виготовлення карбонатних прес-бетонів раніше не проводилося. Низький вміст у ньому оксиду кальцію не дозволяє використовувати цей шлам як основний компонент цементного в’яжучого.

Ефективність використання в бетоні карбонатних заповнювачів широко досліджувалась як вітчизняними вченими, так і вченими інших країн (П.І. Боженов, С.С. Гордон, А.А. Гордєєв, П.Л. Єременок, Т.Ю. Любімова, Р.Л. Маілян, Є.Р. Пінус, Б.Г. Скрамтаєв, Т. Торвальдсон, І. Ферран та ін.). Їх дослідження послужили підґрунтям для розробки теоретичних, наукових та технологічних основ дисертаційної роботи: вибору вихідної сировини, впливу компонентів на кінцеві властивості бетонів, виявлення оптимальних умов використання карбонатних заповнювачів та вдосконалення технології виробництва дрібноштучних виробів.

Результати досліджень показали, що заповнювачі з пористих вапняків і вапняків-черепашників, незважаючи на низьку міцність породи (в середньому від 1,5 до 10 МПа), завдяки особливостям структури та хіміко-мінералогічного складу, забезпечують отримання на їх основі, при звичайних витратах цементу, конструктивних бетонів міцністю 15-30 МПа і вище.

Результати досліджень Є.Р. Пінуса, Т. Торвальдсона, І.І. Єгорова, Н.Г. Ковальова та інших авторів свідчать про те, що зчеплення цементного каменя з карбонатними заповнювачами значно краще, ніж з високоміцними заповнювачами із вивержених гірських порід.

Отримати високоякісний бетон на заповнювачах із карбонатних відходів можливо шляхом оптимізації вмісту пилуватих фракцій вапняків-черепашників та залученням їх у фізико-хімічні процеси тверднення і формування структури в’яжучої матриці та бетону в цілому. Це може бути досягнуто сумісним використанням карбонатних заповнювачів та в’яжучих, дисперсна фаза яких складається переважно з алюмосилікатної фази, а також шляхом активації пилуватих карбонатних частинок лугами. У повній мірі таким вимогам відповідають золошламові в’яжучі на основі кислої золи-винесення ТЕС та лужного червоного бокситового шламу Миколаївського глино-земного заводу, що містить до 19Al2O3, близько 40Fe2О3 та лугів (Na2O +K2O в межах 6

Вивчення розвитку ресурсо- і енергозберігаючих технологій виготовлення стінових матеріалів показало, що поряд із багатотоннажним виробництвом керамічної та силікатної цегли останнім часом намічається тенденція до будівництва підприємств малої потужності з викорис-тан-ням методу напівсухого пресування виробів місцевої сировини та відходів промисловості.

На основі літературних джерел та попередньо проведених лабораторних досліджень була сформована робоча гіпотеза: лужна алюмоферитна складова бокситового шламу може бути використана в якості модифікатора золоцементного в’яжучого з комплексним характером впливу. При введенні шламу до складу в’яжучого підвищиться розчинність алюмосилікатного скла, що міститься у золі-винесення, за рахунок вмісту в червоному шламі лугів. Добавка шламу при механічній активації золи-винесення призведе до руйнації поверхневої склоподібної оболонки, тим самим надасть можливість залучити більшу кількість реакційно здатної золи-винесення в процес структуроутворення цементного каменя. За рахунок дрібнодисперсної будови червоного шламу (90частинок має радіус менше 10 мкм) ведення його як мікронаповнювача дозволить підвищити фізико-механічні властивості в’яжучого та бетонів на його основі.

В другому розділі наведено характеристики сировинних матеріалів, описані методи експериментальних досліджень та представлена обробка їхніх результатів.

Для отримання золоцементних в’яжучих, модифікованих лужною алюмо-феритною до-бав-кою, як вихідний матеріал використано золу-винесення (ЗВ) Ладижинської ТЕС (ГОСТ 25592). Хімічний склад золи-винесення знаходиться в межах (%): SiO2 – 55,3; Al2O3 – 22,34; Fe2O3 – 5,42; FeO – 2,52; MgO – 0,12; MnO – 5,96; CaO – 5,96; Na2O – 0,75; K2O – 2,46; SO3 – 0,38; P2O5 – 0,33; TiO2 – 1,4. Хімічний та мінералогічний склади відповідають основним вимогам, що висуваються до зол для бетонів.

В якості лужної алюмоферитної добавки застосовано червоний шлам (ЧШ) Ми-ко-лаївського гли-ноземного заводу (ДСТУ Б В.2.7-39-95) – відходи при пере-робці бок-ситів на глинозем. Характерною особли-вістю черво-ного шламу, як модифі-кую-чої добавки, є висока дисперсність та лужна реакція (рН від 10 до 12). ЧШ характеризується наступними хімічним складом, мас.SiO2 – 9,5-11,1; TiO2 – 4,4-5,6; Al2O3 – 17,0-19,0; Fe2О3 – 39,0-43,0; CaO – 7,6-9,5; Na2O – 6,2-6,9; P2O5 – 0,2-0,3.

Як заповнювач використовували відходи каменерізання карбонатних порід (ДСТУ Б В.2.7-27-95) кар’єрів Вінницької області з модулем крупності Мкр – 2,48. Вони характеризуються наступ-ним хімічним складом, мас. %: CaCO3 – 90,7-95,8; MgCO3 – 1,4-4,3; SiO2 – 0,4-7,15; Al2O3 – 0,08-1,08.

В якості активної добавки до комплексного золошламового в’яжучого використовували портландцемент ПЦ І-400 Кам’янець-Подільського цементного заводу (ДСТУ Б В.2.7-46-96)

Дослідженнями встановлено, що всі сировинні компоненти шламозолокарбо-натного прес-бетону за рівнем питомої концентрації природних радіонуклідів, згідно вимог ДБН В 1.4-01-97, відносяться до першої групи будівельних матеріалів. Мак-си-мальне значення сумарної активності природних радіонуклідів дорівнює 130 Бк/кг, що не перевищує допустимої величини 370 Бк/кг (для будівель першого класу).

Дослідження фізико-механічних і реологічних властивостей розчинів і зразків, виготовле-них з шламозолокарбонатного прес-бетону, проводились згідно стан-дартних методик від-по-відно до ДСТУ Б.В.2.7-22-95, ДСТУ Б.В.2.7-7-94, ДСТУ Б.В.2.7-114-2002. Вплив компонентного складу в’яжучого на фазовий склад новоутворень комплексного золошламового в’яжучого вивчали за результатами фізико-хімічних досліджень методами диференціально-термічного і рентгено-фазового аналізів.

Автором розроблено методологію досліджень, що включає загальну блок-схему дослід-жень, обґрунтований вибір методик дослідження фізико-механічних влас-ти-востей, складу і струк-ту-ри комплексного механохімічно активованого золо-це-мент-но-го в’яжучого, модифікованого луж-ною алюмоферитною добавкою (золо-шла-мо-ве в’яжуче) та карбонатних матеріалів на основі да-но-го в’яжучого. Постав-лені задачі дослідження вирішувалися поєднанням стандартних методів та мето-дик дос-лід-жень зі спеціально розробленою методикою визначення оптимальних пара-мет-рів пре-су-вання для будь-якого складу прес-суміші з урахуванням її фізико-меха-нічних властивостей. Використання цієї методики дає змогу підвищити ефектив-ність технологічних рішень, пов’язаних з виробництвом пресованих стінових виробів.

Для математичної обробки результатів експерименту, створення графічних за-леж-нос-тей використана програма Microsoft Excel’97 та MathCAD 2000 professionals.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень впли-ву механохімічної активації золи-винесення бокситовим шламом на хімічні процеси фазового складу новоутворень золошламового в’яжучого. Визначено опти-маль-ний склад механохімічно активованого комплексного золошламового в’яжу-чого з використанням золи-винесення, бокситового шламу та добавки портланд-цементу.

Як відомо, зола-винесення складається приблизно на 78із глинозему та крем-не-зему, а їх розчинність залежить від рН розчину. При збільшенні рН розчину з 8 до 10 розчинність глинозему збільшується у 25 разів, а розчинність кремнезему збіль-шується у 2,5 рази, що становить 10 моль/л. Тому, як хімічний реагент в про-цесі активації золи-винесення, нами запропоновано використо-вувати багато-тон-нажні відходи бокситового шламу, які містять у своєму складі (Na2O +K2O до 6.

У результаті досліджень визначений період максимального розчинення лугів червоного шламу у водному розчині. На рис. 1, видно, що при змішуванні червоного шламу з водою максимальне значення рН розчину, рівне 11,6, досягається вже через 5 хв. Дослідження рН розчину проводили за допомогою приладу рН-метр 125.

Рис. 1. Розчинність лугів червоного шламу у водному розчині

Для експериментального підтвердження робочої гіпотези щодо підвищення ефективності гідравлічного потенціалу ЗВ за рахунок введення бокситового шламу, як лужного мікронаповнювача, було виготовлено сім серій зразків балочок розмірами 4Ч4Ч16 см із різним вмістом червоного шламу. Вміст портландцементу, водо-тверде (В/Т) відношення та умови тверднення залишали постійними. Співвідношення компонентів модифікованого в’яжучого для різних серій зразків наведено в табл. 1.

Таблиця 1

Склад модифікованого в’яжучого з різним вмістом алюмоферитної добавки

№ серій зразків | Вміст компонентів, %

Зола-винесення | Червоний шлам | Портландцемент | В/Т

1 | 90,0 | 0 | 10 | 0,2

2 | 76,5 | 13,5 | 10 | 0,2

3 | 63,0 | 27,0 | 10 | 0,2

4 | 49,5 | 40,5 | 10 | 0,2

5 | 36,0 | 54,0 | 10 | 0,2

6 | 22,5 | 67,5 | 10 | 0,2

7 | 0 | 90,0 | 10 | 0,2

За результатами дослідження впливу бокситового шламу на властивості золо-шла-мового в’яжучого встановлені залежності, представлені на рис. . Показники хімічної руйнації поверхні частинок золи-винесення бокситовим шламом оцінювали за консистенцією сумішей, яка визначалася за допомогою струшуючого столику та за максимальною границею міцності при стиску половинок балочок (рис. ).

Рис. 2. Вплив бокситового шламу на Рис. 3. Залежність границі міцності

рухливість комплексного золошламового від вмісту бокситового шламу:

в’яжучого 1 – границя міцності при стиску;

2 – вміст бокситового шламу

Встановлено, що розплив золошламової суміші (рис. 2) із заміною бокситовим шламом до 27золи при постійному В/Т, дає збільшення розпливу суміші на 12Це пов’язано з пластифікуючими властивостями бокситового шламу, які виявлені в роботах інших дослідників. При збільшенні до 54 % ЧШ спостерігається значне зменшення розтікання суміші. Зміна розпливу суміші, активованої лужною алюмоферитною добавкою, при інших рівних умовах, підтверджує руйнування склоподібної оболонки золи, що проявляється у зменшенні текучості суспензії.

За результатами досліджень (рис. 3) встановлено, що ріст міцності спосте-рігається при заміні золи бокситовим шламом на проміжку від 13,5до 40,5В загальному, приріст міцності склав приблизно 58коефіцієнт розм’якшення збільшився на 14 %, а водопоглинання зменшилось на 6 % в порівнянні з серією зразків без шламу. Заміна золи бокситовим шламом на 40,5і більше призводить до зниження границі міцності при стиску. Це пояснюється недостатньою кількістю золи-винесення та відсутністю гідравлічної активності в бокситовому шламі.

Виявлено, що бокситовий шлам є активною коригуючою добавкою, яка впливає на строки тужавлення золошламового в’яжучого. Вміст бокситового шламу в кількості 13,5-27призводить до сповільнення початку тужавлення золошламового в’яжучого. Подальше збільшення вмісту бокситового шламу понад 27призводить до скорочення строків тужавлення. Строки тужавлення в’яжучого оптимального складу приведені в таблиці 2.

На рис. . показано залежність коефіцієнта розм’якшення від вмісту у в’яжучому бокситового шламу.

Рис. 4. Вплив бокситового шламу на водостійкість комплексного золошламового в’яжучого

Як видно з рис. , вміст бокситового шламу в межах до 40,5позитивно впливає на водостійкість золошламового в’яжучого. Підвищення водостійкості на 24в порівняні із зразками без добавок шламу обумовлено збільшенням кількості гідратних новоутворень за рахунок хімічної активації золи-винесення активною мінеральною алюмоферитною добавкою.

Встановлено закономірність зрос-тання середньої щільності в середньому на 2,8 % при заміні золи бокситовим шла-мом на 13,5Загальне збільшення щільності в порівнянні із зразками, які не містять шламу, і зразками, в яких вміст шламу становить 67,5 складає 14,7Підвищення середньої щільності свідчить про змен-шення пористості, що в свою чергу зменшує водопоглинання та збільшує водос-тійкість даного золошламового в’яжучого при наявності гідратних новоутворень.

В результаті обробки отриманих експериментальних даних одержано адекватну експериментально-статистичну модель активності в’яжучого, отримано рівняння регресії та побудована поверхня відгуку в залежності від складу активної мінеральної добавки.

Rст=59,5+0,98x1+0,699x2–0,0084x12–0,0084x22,

де Rст – границя міцності при стиску;

х1 – витрати золи-винесення ;

х2 _витрати бокситового шламу.

За допомогою пакету прикладних програм MathCAD було проведено оптимізацію вмісту компонентів для максимізації величини міцності Rст. Визначені такі оптимальні значення складу активної мінеральної добавки: витрати золи-винесення складають 52,6червоного шламу 37,4

Методами рентгеноструктурного та диференційно-термічного аналізу досліджено мінерально-фазовий склад новоутворень золошламового в’яжучого. Встановлено, що введення бокситового шламу в золоцементне в’яжуче суттєво впливає на зміну мінерально-фазового складу новоутворень золоцементного каменю. Оксиди заліза – Fe2O3 та алюмінію Al2O3, які містяться в червоному бокситовому шламі, є прискорювачами утворення гідросилікатів кальцію. При наявності Fe2O3 в складі цементної зв’язки можливо утворення алюмозалізо-вміщувальних гідрогранатів, залізовміщувальних гідросилікатів кальцію та гідроферитів кальцію.

В камені золошламого в’яжучого при вмісті ЧШ 40,5можливо ідентифіку-вати такі мінерали: кварц (SiO2) – міжповерхневих відстаней – d/n = 3,362 А; оксид заліза – Fe2O3 з d/n – 4,21; 1,698 А; кальциту – CaCO3 з d/n – 3,05; 1,914 А; чотири-кальцієвий гідроферит 4СаO·Fe2O3·13H2O з d/n –2,71; 2,52 А; однокаль-ціє-вий гідроалюмінат CaO·Al2O3·10H2O з d/n – 3,707; 2,286 А; гідрогранати – між по-вер-хневих відстаней – d/n = 2,71-2,80 А; можлива наявність етрингіту з d/n – 2,71 А.

Наявність підвищеного вмісту гідратних новоутворень підтверджується результатами диференційно-термічного аналізу зразків в’яжучого.

Результати випробувань фізико-механічних властивостей отриманого композиційного золошламового в’яжучого зведені в табл. 2.

Таблиця 2

Фізико-механічні властивості золошламового в’яжучого оптимального складу

Показник | Вимоги ДСТУ Б. В.2.7.-22-95 | Результати досліджень

М’якість млива , % | Не більш 10 | 8,6

Нормальна густота цементного тіста, мм | 7-11 | 10,5

Початок тужавлення, год, хв. | Не раніше 00:45 | 2:00

Кінець тужавлення, год, хв. | Не пізніше 24:00 | 3:45

Рівномірність зміни об’єму | Не допускаються тріщини і викривлення | Тріщини і викривлення відсутні

Границя міцності при згині у віці 28 діб, МПа (кгс/см2) | 1,5 (15) – 3,5 (35) | 3,5 (35)

Границя міцності при стиску у віці 28 діб, МПа (кгс/см2) | 5,0 (50) – 10,0 (100) | 10,0 (100)

Визначено фізико-механічні властивості золошламового в’яжучого, яке складається із золи-винесення 52,6червоного шламу ,4 % та портландцементу ПЦ І-400 10відповідають вимогам ДСТУ Б. В.2.7-22-95 „В’яжучі композиційні низькоактивні безклінкерні”.

Четвертий розділ присвячено питанням розробки будівельних стінових матеріалів на основі карбонатних відходів і комплексного механохімічно активованого золошламового в’яжучого, дослідженню структури та встановленню основних технологічних параметрів виробництва.

Структуроутворення формовочних прес-сумішей відбувається у дві основні стадії – в момент ущільнення і в період тверднення в’яжучої речовини. Результативність цих етапів є функцією рецептурно-технологічних факторів – кількості в’яжучого m; вологості прес-суміші W; тиску пресування P та умов тверднення.

При проведенні багатофакторного експерименту були отримані квадратичні рівняння регресії, які дозволяють адекватно описати залежності значень величин міцності , водостійкості Кр, середньої щільності від основних рецептурно-технологічних факторів: х1 – кількості в’яжучого m; х2 – вологості прес-суміші W; х3 – тиску пресування P.

Для функції відгуку рівняння регресії згідно проведеного багатофакторного експерименту для кодованих значень має вигляд

Для функції відгуку Кр рівняння регресії згідно проведеного багатофакторного експерименту для кодованих значень має вигляд

Для функції відгуку рівняння регресії згідно проведеного багатофакторного експерименту для кодованих значень має вигляд

Побудовані поверхні відгуків критеріїв оптимізації та їх двомірних перерізів доз-во-ляють встановити залежності значень величин міцності , водостійкості Кр, се-редньої щільності від рецептурно-технологічних факторів. Проведена пара-мет-рич-на оптимізація дозволила отримати оптимальні значення параметрів процесу ви-го-товлення дрібноштучних прес-бетонних виробів: m = 32,4...33,7; W = 6,8...8,044; P = 27,48...30,4 МПа, і максимальні значення критеріїв оптимі-зації:  = 26,71 МПа, водостійкості Кр = 0,91, середньої щільності  = 2183 кг/м3.

Проведені дослідження макроструктури дрібнозернистого карбонатного прес-бетону на основі комплексного золошламового в’яжучого. Отримані результати під-твердили можливість застосування золошламокарбонатного прес-бетону для ви-го-тов-лення дрібноштучних стінових виробів з такими характеристиками: М ; F-25; W-12,5%; -2050 кг/м3; Кр-0,91. Вироби з такого прес-бетону здатні набирати міцність як при нормальних умовах тверднення, так і при тепловологій обробці.

П’ятий розділ присвячено висвітленню практичної реалізації результатів досліджень. Обґрунтовано вибір і удосконалено ресурсозберігаючу технологію виробництва карбонатних стінових матеріалів на механохімічно активованому золошламовому в’яжучому з використанням відходів каменерізання карбонатних гірських порід. Технологічний процес виготовлення пресованих стінових блоків розроблено з прив’язкою до технологічних ліній існуючих цегельних заводів напівсухого пресування. Виготовлення цегли по розробленій технології можливе не лише на спеціалізованому підприємстві, але й локально, поблизу існуючих ТЕС, з використанням мінімальної кількості виробничих площ, використанням тепла газів, які викидаються в атмосферу. Це дозволить знизити собівартість виробництва, в певній мірі вирішити питання задоволення потреб сільського і промислового будівництва, а використання максимальної кількості відходів дозволить звільнити значні площі, зайняті під відвали.

У виробничих умовах випущено дослідно-промислову партію карбонатної лицьової цегли на модифікованому золоцементному в’яжучому. Результати досліджень фізико-механічних властивостей суцільної та пустотілої цегли з карбонатного бетону на золоцементному в’яжучому, модифікованому лужною алюмоферитною добавкою, зведені в табл. 3.

Таблиця 3

Фізико-механічні властивості цегли з карбонатного бетону

Показники | Суцільна цегла | Пустотіла цегла

Марка цегли, кгс/см2МПа) | 250 (25,0) | 175

Морозостійкість, циклів | 25 | 25

Середня густина, кг/м31980 | 1620

Водопоглинання, % | 12,4 | 14,2

Водостійкість | 0,91 | 0,84

Теплопровідність, Вт/(м·К) | 1,03 | 0,86

Маса цеглини, кг | 3,86 | 3,156

Завдяки наявності в складі розробленого бетону оксидів заліза вироби мають привабливий колір, за кольоровою гамою подібні до глиняної цегли.

Випробувані зразки суцільної та пустотілої цегли з карбонатного бетону на золоцементному в’яжучому, модифікованому лужною алюмоферитною добавкою, відповідають вимогам ДСТУ Б В.2.7-7-94.

У результаті випуску дослідно-промислової партії лицьової цегли на основі дрібнозернистих карбонатних прес-бетонів з використанням комплексного золо-шла-мового в’яжучого економічний ефект складає 71,12 грн. на 1 тис. штук цегли. Розра-хунковий економічний ефект при потужності підприємства 4,311 млн. штук умов-ної цегли в рік за рахунок виробництва цегли складає 177 тис. грн. за рік, а прибуток від скорочення економічного збитку, що наноситься навколишньому середовищу – 129,5 тис. грн. Загальний розрахунковий економічний ефект від впровадження результатів дисертаційних досліджень складає близько 306,60 тис. грн. за рік.

ВИСНОВКИ

1. Здійснено класифікацію, аналіз утворення і використання техногенних відходів промисловості (золи-винесення, бокситового шламу та карбонатних відходів) у виробництві в’яжучих та бетонів. Вивчено фізико-хімічні закономірності отримання малоклінкерних золоцементних в’яжучих.

2. Обґрунтовано вибір сировинних матеріалів та вивчені їхні властивості з метою отримання комплексного в’яжучого. Розроблено методологію досліджень, що включає загальну блок-схему досліджень карбонатного бетону на золо-цементному в’яжучому, модифікованому лужною алюмоферитною добавкою, та методику визначення оптимальних параметрів пресування у залежності від фізико-механічних властивостей прес-суміші.

3. Виявлено основні закономірності впливу механохімічної активації золи-винесення лужною алюмоферитною добавкою. Доведено комплексний вплив бокситового шламу на фізико-механічні властивості золошламового в’яжучого та визначені мінімальні витрати ПЦ І-400, – в межах 10 % від маси золошламового в’яжучого, – які забезпечують нормовану морозостійкість та водостійкість.

4. Досліджено за допомогою рентгеноструктурного та диференційно-термічного аналізу мінерально-фазовий склад новоутворень золошламового в’яжучого. Встановлено, що введення бокситового шламу в золоцементне в’яжуче суттєво впливає на зміну мінерально-фазового складу новоутворень золоцементного каменю. Оксиди заліза – Fe2O3 та алюмінію Al2O3, які містяться в червоному бокситовому шламі, є прискорювачами утворення гідросилікатів кальцію. При наявності Fe2O3 в складі цементної зв’язки утворюються алюмозалізовміщувальні гідрогранати, залізовміщувальні гідросилікати кальцію та гідроферити кальцію, які підвищують фізико-механічні властивості в’яжучого.

5. Визначено оптимальний склад компонентів золоцементного в’яжучого, модифікованого лужною алюмоферитною добавкою: витрати золи-винесення складають 52,6червоного шламу 37,4 % та портландцементу 10Доведено, що золоцементні в’яжучі, модифіковані лужною алюмоферитною добавкою, придатні для використання в будівництві, а фізико-механічні властивості отриманого матеріалу відповідають ДСТУ Б. В.2.7-22-95.

6. Встановлено залежність значень величин міцності , водостійкості Кр та середньої щільності від основних технологічних параметрів: кількості в’яжучого m; вологості прес-суміші W; тиску пресування P. Визначені оптимальні значення параметрів процесу виготовлення дрібноштучних прес-бетонних виробів: m = 32,4...33,7 %; W = 6,8...8,044 %; P = 27,48...30,4 МПа, і максимальні значення критеріїв оптимізації:  = 29,81 МПа, водостійкості Кр = 0,937, середньої щільності  = 2183 кг/м3.

7. Апробовано методика визначення оптимальних параметрів пресування підтвердила її достовірність, а оперативність та менша матеріаломісткість надають їй переваги у порівнянні з традиційними методиками. Удосконалена ресурсозберігаюча технологія виготовлення дрібнозернистих прес-бетонів на основі відходів каменерізання карбонатних порід та комплексного золошламового в’яжучого.

8. Отримані результати підтвердили можливість застосування золошламо-карбонатного прес-бетону для виготовлення дрібноштучних стінових виробів з характеристиками: М_; F-25; W-12,5; -2050 кг/м3; Ккр-0,91, що задовольняє вимоги ДСТУ Б В.2.7-7-94.

9. Здійснено випуск дослідно-промислової партії лицьової цегли на основі дрібнозернистих карбонатних прес-бетонів з використанням модифікованого в’яжучого. Економічний ефект складає 71,12 грн. на 1 тис. штук цегли. Дослідне впровадження результатів роботи підтвердило достовірність отриманих результатів, обґрунтованість висновків та рекомендацій. Розрахунковий еконо-мічний ефект: при потужності підприємства 4,311 млн. штук умовної цегли в рік прибуток за рахунок виробництва цегли складає 177 тис. грн. за рік, а прибуток від скорочення економічного збитку, що наноситься навколишньому середовищу – 129,5 тис. грн. Загальний розрахунковий економічний ефект від впровадження результатів дисертаційних досліджень складає близько 306,60 тис. грн. за рік.

Основні положення дисертації викладено у працях:

1. Ковальський В.П. Застосування червоного бокситового шламу у виробництві будівельних матеріалів // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. – 2005. – № 1 (49). – С. 55-60.

2. Очеретний В.П., Ковальський В.П. Дрібноштучні стінові матеріали з викорис-танням відходів промисловості // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2005. – № 1. – С. 16-21.

3. Друкований М.Ф., Очеретний В.П., Ковальський В.П. Комплексне золошламове в’яжуче // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. – 2006. – Вип. 21. – С. 94-100.

4. Очеретний В.П., Ковальський В.П. Машницький М.П. Активація компонентів цементнозольних композицій лужними відходами глиноземного виробництва // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2006. – № 4. – С. 5-19.

5. Пат. 13518 Україна, МПК С 04 В28/00. Суміш для виготовлення будівельних виробів. Очеретний В.П., Ковальський В.П. Заявл. 21.06.2005; Опубл. 17.04.2006. Бюл. №4. – 6 с.

6. Друкований М.Ф., Очеретний В.П., Ковальський В.П., Чепурченко В.П. В’яжуче з відходів для дорожнього будівництва // Сучасні технології, матеріали і конструкції в будівництві. – Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2004. – С. 50-54.

7. Очеретный В.П., Ковальский В.П. Определение факторного пространства для построения математической модели карбонатного пресс-бетона // Материалы к 43-му международному семинару по моделированию и оптимизации композитов “Моделирование и оптимизация в материаловедении”, МОК’43. – Одесса: Астропринт, 2004. – С. 149.

8. Очеретний В.П., Ковальський В.П. Передумови активації золи-винесення відходами глиноземного виробництва // Матеріали VIII міжнародної науково-практичної конференції “Наука і освіта 2005”. – Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2005. – Том 55. – С. 31-32.

9. Ковальский В.П. Оптимизация состава карбонатного бетона // Материалы к 44-му международному семинару по моделированию и оптимизации композитов “Моделирование и оптимизация в материаловедении”, МОК’44. – Одесса: Астропринт, 2005. – С. 134.

10. Очеретний В.П., Ковальський В.П. Використання відходів промисловості при виготовленні оздоблювальних матеріалів // Сучасні технології, матеріали і конструкції в будівництві. – Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2006. – С. 169-177.

11. Очеретний В.П., Ковальський В.П., Машницький М.П. Комплексна активна мінеральна добавка на основі відходів промисловості //Сборник научных трудов по материалам IV международной научно-практической Интернет-конференции „Состояние современной строительной науки – 2006”.– Полтава: Полтавский ЦНТЭИ, 2006. – С. 116-121.

АНОТАЦІЯ

Ковальський В.П. Карбонатний бетон на золоцементному в’яжучому, модифікованому лужною алюмоферитною добавкою. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – будівельні матеріали та вироби. – Вінницький націо-наль-ний технічний університет Міністерства освіти і науки України, Вінниця – 2007.

В дисертаційній роботі теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено можливість отримання стінового матеріалу з карбонатного бетону на золоцементному в’яжучому, модифікованому лужною алюмоферитною добавкою, шляхом встановлення закономірностей впливу механохімічної дії на активацію золи-винесення, формування структури і властивостей в’яжучого та карбонатних бетонів на його основі.

Встановлено, що сумісна механохімічна активація портландцементу, золи-винесення і червоного бокситового шламу, узятих у співвідношенні 1:5,84:4,16 дозволяє за рахунок інтенсифікації фізико-хімічних процесів при гідратації отримати модифіковане в’яжуче активністю 10,0-10,4 МПа. На основі модифі-кованого комплексного в’яжучого і карбонатних відходів каменерізання методом пресування, за рахунок оптимізації технологічних параметрів, одержано стіновий будівельний матеріал з межею міцності при стиску 25 МПа.

Удосконалено і впроваджено у виробництво технологію виготовлення шламозолокарбонатної лицьової цегли М , що задовольняє вимогам ДСТУ Б В.2.7-7-94. У результаті випуску дослідно-промислової партій лицьової цегли на основі дрібнозернистих карбонатних прес-бетонів з використанням модифікованого в’яжучого економічний ефект складає 71,12 грн. на 1 тис. штук цегли. Розрахунковий економічний ефект: при потужності підприємства 4,311 млн. штук. умовної цегли в рік прибуток за рахунок виробництва цегли складає 177 тис. грн. за рік, а прибуток від скорочення економічного збитку, що наноситься навколишньому середовищу – 129,5 тис. грн. Загальний розрахунковий економічний ефект від впровадження результатів дисертаційних досліджень складає близько 306,60 тис. грн. за рік.

Ключові слова: механохімічна активація, фізико-хімічні властивості, зола-винесення, бокситовий (червоний) шлам, карбонатні відходи, золошламове в’яжуче, шламозолокарбонатна лицьова цегла.

АННОТАЦИЯ

Ковальский В. П. Карбонатный бетон на золоцементном вяжущем, модифицированном щелочной алюмоферритной добавкой. – Рукопись.

Диссертация на соискание учной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – строительные материалы и изделия. – Винницкий национальный технический университет, Винница – 2007.

Диссертация посвящена теоретическому обоснованию и экспериментальному подтверждению возможности получения шламозолокарбонатного бетона на модифицированном алюмоферитной добавкой золоцементном вяжущем путем установления закономерностей влияния интенсивного механохимического воздействия на его активацию, формирование структуры и свойств. Предложен способ производства стеновых мелкоштучных строительных материалов из техногенных отходов промышленности.

Исследовали бокситовый шлам в качестве активной щелочной алюмо-ферритной добавкой с комплексным характером воздействия на золоцементное вяжущее. Путём экспериментальных исследованияй изучено влияние бокситового шлама на среднюю плотность, начало и конец схватывания, водостойкость и прочность золошламового вяжущего. Результаты показывают, что с добавлением в золоцементное вяжущее до 40шлама его средняя плотность увеличивается на 15водостойкость на 24и прочность на 58 % в сравнении с результатами испытаний вяжущего без бокситового шлама. В результате проведенных испытаний также подтвердились пластифицирующие свойства бокситового шлама.

Рентгеноструктурным и диференциально-термическим анализом установлено, что добавка бокситового шлама в золоцементную смесь существенно влияет на изменение минерально-фазового состава новообразований в золоцементном камне.

С помощью пакета прикладных программ MathCAD была проведена оптимизация значений величины прочности Rст путем её максимизации. Определены следующие оптимальные значения состава активной минеральной добавки: зола-вынос – 52,6красный шлам – 37,4

Установлено, что совместная механохимическая активация портландцемента, золы-вынос и красного бокситового шлама, взятых в соотношении 1:5,84:4,16, способствует интенсификации физико-химических процессов при гидратации