Метод разработки состава многокомпонентного минерального вяжущего на основе техногенного сырья

На правах рукописи

БОНДАРЕНКО Галина Викторовна

МЕТОД РАЗРАБОТКИ СОСТАВА МНОГОКОМПОНЕНТНОГО МИНЕРАЛЬНОГО ВЯЖУЩЕГО

НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2012

Диссертация выполнена на кафедре строительных технологий и экспертизы недвижимости ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет»

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Грызлов Владимир Сергеевич ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет», профессор кафедры строительных технологий и экспертизы недвижимости
Официальные оппоненты:	Казанская Лилия Фаатовна, доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения», профессор кафедры строительных материалов и технологий
	Гончарова Ирина Викторовна, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры химии
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет»

Защита диссертации состоится « 25 » декабря 2012 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний диссертационного совета (аудитория 219).

Телефакс: (812) 316-58-72

Email: rector@spbgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан « 21 » ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Ю. Н. Казаков

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Успешное развитие строительного комплекса зависит от уровня решения взаимосвязанных проблем по ресурсо- и энергосбережению, а также по снижению себестоимости строительной продукции. Поэтому в настоящее время одним из актуальных направлений строительного материаловедения являются исследования по созданию новых эффективных композитов на основе техногенного сырья, отличающихся пониженной себестоимостью и отвечающих современным требованиям долговечности и эксплуатационной надежности.

С позиции обеспечения сырьевыми ресурсами строительной индустрии следует учитывать прогрессирующий рост цен на природные минеральные ресурсы, используемых в производстве вяжущих материалов и заполнителей для бетонов. Важнейшим сырьевым резервом строительного комплекса являются многотоннажные вторичные продукты промышленности (ВПП), комплексное использование которых позволит формировать рациональные структуры в новых композиционных материалах в результате физико-химических взаимодействий.

Проблема утилизации отходов остро стоит во всем мире. Опыт стран Евросоюза свидетельствует об эффективности замены значительной части клинкера (35 – 95 %, в зависимости от типа и марки вяжущего) гидравлически активными минеральными добавками из ВПП.

Теоретическое обоснование и практическое применение малоклинкерных и бесклинкерных минеральных вяжущих не решило еще проблемы комплексного подхода в вопросах переработки промышленных отходов для производства строительных материалов.

Поэтому комплексная переработка минерального техногенного сырья в производство строительных материалов является актуальной проблемой в материаловедческом, строительно-технологическом, промышленно-технологическом, экономическом и экологическом аспектах.

Исходя из основных положений теории структурообразования, учения о фазовых равновесиях, представленных в виде диаграмм состояния, была выдвинута рабочая гипотеза – получение синергетического эффекта синтеза физико-технических свойств полиструктурных композитов при комплексном совмещении и сочетании химического и фазового состава сырьевых компонентов.

Теоретическими основами работы стали исследования российских ученых, посвященных проблеме вовлечения промышленных отходов в производство строительных материалов: Ю.М. Баженова, А.В. Волженского, Ю.М. Бутта, И.А. Рыбьева, П.Г. Комохова, Т.М. Петровой, В.С.Горшкова, О.Л. Дворкина, С.М., В.С. Грызлова, Ю. Г. Мещерякова, С.М. Рояк, В.П. Сучкова, А.В. Хвастунова, и др., а также трудов научно-исследовательских и проектных институтов.

Цель исследования: разработка метода получения многокомпонентного минерального вяжущего на основе комплексного подхода к переработке промышленных отходов.

В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи:

1. На основе современных представлений о роли структуры в формировании свойств минеральных вяжущих строительных материалов изучены вопросы проектирования их составов с учетом свойств сырьевых компонентов.
2. Разработан метод получения состава сырьевой шихты многокомпонентного минерального вяжущего на основе комплексной переработки промышленных отходов в производство строительных материалов с обоснованием выбора технической модели.
3. Разработана «Схема комплексной переработки промышленных отходов в производство строительных материалов», отличительной особенностью которой является использование базиса трехкомпонентной системы CaO-SiO2-Al2O3 в качестве технической модели для проектирования состава сырьевой смеси строительного композиционного материала.
4. С помощью технической модели, представленной трехкомпонентной системой CaO-SiO2-Al2O3, разработан новый состав многокомпонентного минерального вяжущего максимально приближенным по минералогическому и химическому составу основных оксидов к эталонному материалу. Исследованы физико-механические, технологические свойства многокомпонентного минерального вяжущего в составе строительного раствора.
5. Спроектирован рациональный состав бетона на разработанном многокомпонентном минеральном вяжущем с использованием техногенных компонентов с целью максимального вовлечения отходов промышленности в строительный композит.
6. Оценены свойства бетона при кратковременных и длительных нагрузках на соответствие требованиям современной нормативной документации с целью его применения в производстве строительных конструкций. Исследовано влияние режимов условий твердения.
7. Исследована совместимость бетона на основе многокомпонентного минерального вяжущего с современными модификаторами структуры.
8. Осуществлена опытно-промышленная проверка полученных результатов в условиях действующего производства.

Объектом исследования является многокомпонентное минеральное вяжущее

Предметом исследования является метод создания конкурентоспособного вяжущего материала с требуемыми эксплуатационными свойствами.

Методологической основой диссертационного исследования послужили основные положения строительного материаловедения в области безобжиговых композиционных материалов с учетом современных тенденций в части ресурсо- и энергосбережения, методы математической статистики планирования эксперимента, теоретической и экспериментальной оптимизации; основные положения теории прочности и теплопроводности композиционных материалов, метод эксперимента.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Предложен метод разработки состава многокомпонентного минерального вяжущего, основанный на комплексном анализе параметров техногенного сырья, определении его физико-технологических особенностей, выборе направления использования, оптимизации соотношения химических оксидов шихты строительного композита.
2. Разработана «Схема комплексной переработки промышленных отходов в производство строительных материалов», включающая в качестве технической модели базис трехкомпонентной системы CaO-SiO2-Al2O3 для проектирования состава сырьевой смеси строительного композиционного материала.
3. На основе предложенного метода разработан новый состав многокомпонентного минерального вяжущего (ММВ), патент № 2010146531. Установлена высокая эффективность применения ММВ в составе строительных растворов (по сравнению с равнопрочными вяжущими), обеспечивающего повышение: водоудерживающей способности цементного теста на 33 %; прочности вяжущего в составе строительного раствора при изгибе на 9 %.
4. Предложен рациональный состав шлакобетона с использованием разработанного ММВ, обеспечивающего повышение (в сравнении с равнопрочными шлакобетонами): коэффициента перехода от кубиковой прочности шлакобетона к призменной на 12% в сравнении с нормируемой характеристикой СП 52-101-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры»; прочности шлакобетона на осевое растяжение от 35 до 55 %; понижение коэффициента теплопроводности на 13…17 %.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Разработан стандарт организации (технические условия) на сухую строительную смесь, содержащую в своем составе многокомпонентное минеральное вяжущее в соответствии с существующими нормативными требованиями. Опытно-промышленной проверкой подтверждена эффективность разработанного многокомпонентного вяжущего, на основе предложенного метода. Исследованы свойства композитов с применением ММВ в комплексе с модифицирующей добавкой «Полипласт СП-1». Это позволило снизить: массу напольных плит на 12 %, себестоимость на 15,3 % с сохранением регламентируемой прочности.

Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ЧГУ» при подготовке бакалавров и магистров направления 270800.68 «Строительство». Результаты диссертационной работы использовались при выполнении выпускных квалификационных работ магистерских диссертаций строительного профиля.

Достоверность научной гипотезы, выводов и рекомендаций обеспечивается: современными средствами научных исследований; применением общепринятых методов оптимизации; использованием фундаментальных положений термодинамики; теории структурообразования; применением современных математических методов планирования экспериментов и статической обработки результатов; удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с данными, полученными экспериментальным путем; результатами промышленной апробации.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались: на еже-

годном смотре-сессии аспирантов и молодых ученых по отраслям наук 21.11.2007 г.; на всесоюзной научной конференции студентов и аспирантов, проходящей в г. Вологда с 16 по 18 апреля 2009 года; на всероссийской научно – практической конференции «Череповецкие научные чтения – 2009» 2-3 ноября 2009 г.; на XIV межрегиональной выставке «Свой дом» 7 октября 2011г. с докладом «Применение местных материалов для производства сухих строительных смесей».

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в том числе пять – входящие в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав с выводами по каждой из них, общих выводов. Диссертация содержит 164 страницы машинописного текста, 44 таблицы, 39 рисунков, 66 формулу, 13 приложений и список использованной литературы из 190 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Предложен метод разработки состава многокомпонентного минерального вяжущего, заключающийся в поэтапном анализе физико-технологических параметров сырья, их классификации, выборе направления их использования и определения состава сырьевой смеси.

Совокупность технологий отдельных производств, размещенных в промышленных регионах и связанных между собой не только основными производственными циклами, но и стратегическими вопросами по эффективному использованию техногенных отходов, определяют поиск новых направлений по снижению их объемов на отведенных территориях с одновременным решением вопросов ресурсосбережений.

Достаточная изученность физико-химических свойств промышленных отходов и научный опыт их вовлечения в производство строительных композиционных материалов послужило основой для разработки метода по получению сырьевой смеси строительного композита, разбитого на три последовательных и функционально связанных этапа.

1 этап. На конечном этапе любого технологического цикла промышленного производства помимо основной продукции производства образуются и промышленные отходы (ПО), являющиеся по определенным причинам непригодными для повторного вовлечения в технологию основного технологического производства. Образуемые промышленные отходы утилизируются и перерабатываются самими предприятиями или передаются в другие отрасли для обезвреживания или использования в качестве сырья. Система обращения с промышленными отходами в соответствии с законодательством требует не только учета объемов их накопления, но и классификации по видам, согласно Федеральному классификационному каталогу отходов № 1445 от 29 декабря 1997.

Информация по объемам накопления и реализации промышленных отхо-

дов позволяет выявить формирующийся рынок отходов и объемы их вовлечения в хозяйственный оборот в качестве сырья.

В связи с совершенствованием и развитием законодательства, разработкой современных нормативных документов, актуализацией СНиПов, изменений технологий производства а, следовательно, переработкой технических условий, промышленные отходы проверяются на соответствие современным требованиям нормативно-технической документации (НТД, СТО, ТУ, ГОСТ) для использования в производстве строительных материалов. Класс опасности промышленных отходов определяется требованиями гигиенической и радиационной безопасности. Здесь важно учесть, в каком качестве рекомендуют использовать тот или иной промышленный отход в строительной отрасли, что прописано в стандартах предприятия, технических условиях и ГОСТ(ах). Данный этап можно считать неким «фильтром»; по результатам «фильтрации» делаются выводы о возможности использования соответствующих промышленных отходов конкретного предприятия в производстве строительных материалов, которые по своим качественным показателям, являются вторичными продуктами промышленности.

2 этап. Первоначально производится систематизация промышленных отходов по направлениям их применения в строительстве с целью выявления дополнительных резервов их комплексной переработки путем включения в замкнутые и технологические циклы в составе специализированных комплексов, создаваемых на региональном уровне на основе организационно-экономических предпосылок.

Методы утилизации основаны на физико-химических исследованиях свойств и структуры отходов, позволяющих определить принципиальную возможность (или невозможность) их использования в том или ином производстве. Исходя из этого положения, выявление резервов по расширению области использования накопленных промышленных отходов, выделенных из первого этапа, необходимо проанализировать химические, физические и специальные (специфические) свойства по общей научной статистике, специальной (отраслевой) статистике и лабораторным анализам, проведенным лабораториями предприятий с целью обобщения результатов и выявления возможных ошибок при определении их свойств. На втором этапе лабораторный анализ рассматривается как вклад в общую базу данных и согласует представления с уже имеющимися универсальными представлениями о свойствах исследуемого промышленного отхода с текущими свойствами образца; даётся комплексная сравнительная оценка исследований. Здесь заключается методика накопления знаний для согласования и корректировки специальных (отраслевых) и универсальных представлений о свойствах отходов. Второй этап по своей сути является блоком обработки показателей свойств по трем уровням: универсальный, частный (отраслевой) точечный (текущий лабораторный показатель по оценкам нормированного количества проб). Оценку комплекса исследований, починяющихся нормальному закону распределения, целесообразно производить по графику плотности вероятности с выявлением коэффициента вариации, рисунок 1.

При этом нормальное распределение (N1, N2, N3) определяется действием

суммы многих случайных факторов (1, 2, 3), каждый из которых вносит незначительный вклад в суммарное значение отклонения величины от ее среднего значения на исследуемые свойства побочных продуктов промышленности (1, 2, 3). Размах распределения зависит от вызвавшей его системы факторов. По коэффициенту вариации свойств промышленного отхода

как сырьевого компонента судят о показателях качества продукции (строительного материала). Согласование фактов текущей пробы и статистики предприятия с некоторыми граничными показателями рекомендуемых свойств определяет направление рекомендаций применимости сырья. Контроль соответствия пропускает определенный вид промышленного отхода по набору значимых свойств к применению в том или ином виде

конечного продукта – строительного материала. Второй этап харак-теризуется многоуровневостью сбора

данных по свойствам промышленных

отходов, на основании которых можно разработать рекомендации для промышленных предприятий с учетом их возможностей по устранению тех признаков, которые препятствуют использованию промышленных отходов в качестве сырьевого материала или в качестве побочного продукта промышленности, тем самым расширяя возможности их применения.