Шлакощелочные вяжущие и бетоны с силикатными и алюмосиликатными минеральными добавками (22.03.2010)

Автор: Рахимова Наиля Равилевна

2. Системный анализ и развитие научных представлений о наполненных искусственных строительных композиционных материалах (ИСКМ) как объектах управления.

3. Проведение комплекса исследований композиционных шлакощелочных вяжущих систем с минеральными добавками кремнеземистого и алюмосиликатного состава с позиций рассмотрения их как ИСКМ и учета характерных для шлакощелочных вяжущих и дисперсных добавок свойство- и структуро- определяющих факторов, включающего: определение оптимальных уровней дисперсности, концентраций, условий совместимости компонентов вяжущего с использованием в качестве исходных материалов доменных шлаков, минеральных веществ природного и техногенного происхождения и щелочных компонентов различного состава и реакционной способности, в том числе ранее не применявшихся для получения композиционных шлакощелочных вяжущих; изучение и описание процессов формирования состава, структуры и свойств камня многокомпонентного вяжущего от параметров отдельных составляющих, элементов структуры и композиционной системы в целом; разработка рациональных составов композиционных шлакощелочных вяжущих и исследование свойств растворов и бетонов на их основе.

4. Исследование свойств теста, камня, растворов и бетонов на основе бездобавочного шлакощелочного вяжущего в зависимости от состава шлака и щелочного компонента, удельной поверхности шлаков в пределах от 300 до 900 м2/кг во взаимосвязи с гранулометрическим составом; изучение влияния размера частиц шлака, распределения зерен по размерам на характер и интенсивность процессов формирования свойств минеральной матрицы из ШЩВ на основе шлаков и щелочных компонентов различного химического состава.

5. Исследование свойств теста, камня, растворов и бетонов на основе композиционных шлакощелочных вяжущих с кремнеземистыми добавками (кварцевый песок, отработанная формовочная смесь), алюмосиликатными добавками (зола, бой керамического кирпича, цеолитсодержащие добавки) в зависимости от состава дисперсионной среды – вида шлака и щелочного компонента, состава, содержания дисперсной фазы, условий и продолжительности твердения.

6. Исследование эффективности использования в качестве затворителя шлакощелочных вяжущих, растворов и бетонов водного раствора жидкого стекла, полученного из карбонатно-кремнистой цеолитсодержащей породы.

7. Изучение влияния силикатных и алюмосиликатных добавок на состав новообразований и структуру камня шлакощелочного и композиционного шлакощелочного вяжущего.

8. Разработка рациональных составов КШЩВ и исследование свойств шлакощелочных растворов и бетонов на основе КШЩВ.

9. Разработка технических условий на производство КШЩВ, проведение промышленной апробации шлакощелочных бетонов (ШЩБ) и определение их экономической эффективности.

Научная новизна.

1. Выполнен системный анализ наполненных ИСКМ как объектов управления и развиты научные представления о: системе факторов, определяющих структуру и свойства, классификации наполнителей, топологических моделях структуры, технологии совмещения компонентов и оценке эффективности наполнителей ИСКМ.

2. Разработаны теоретические и экспериментальные основы получения и управления структурой и свойствами композиционных шлакощелочных вяжущих с кремнеземистыми (содержание кристаллической фазы 0 и 95-100%) и алюмосиликатными (содержание SiO2 + Al2O3 = 60-90%, соотношение SiO2 : Al2O3 = (3,5-12,6):1, степень аморфизации 17-65%) минеральными добавками природного и техногенного происхождения, растворов и бетонов на их основе, базирующиеся на учете факторов, определяющих их структуру и свойства, топологическом моделировании структуры, технологии совмещения компонентов, оценке эффективности минеральных добавок и выявленных закономерностях и установленных зависимостях.

3. Установлены закономерности и зависимости свойств теста, свойств и состава камня композиционного шлакощелочного вяжущего от состава и дисперсности матрицы – шлакощелочного вяжущего, химического, минерального и фазового состава, дисперсности силикатных и алюмосиликатных минеральных добавок, способа совмещения шлака и добавок, условий и продолжительности твердения, определена значимость каждого из этих факторов в формировании свойств камня композиционных шлакощелочных вяжущих по группам физически и химически активных минеральных добавок.

4. Выявлены особенности структурных типов композиционных систем, образующихся при щелочной активации двухкомпонентных композиционных вяжущих систем, включающих в качестве основного доменный гранулированный шлак со степенью разупорядоченности структуры 95-97% и дополнительного компонента кремнеземистые и алюмосиликатные минеральные добавки со степенью разупорядоченности структуры 0-100%.

5. На основе результатов исследований взаимосвязи скорости реализации гидратационного потенциала с размером зерна шлакового стекла определены оптимальные и пороговые параметры дисперсности – удельная поверхность, размеры частиц, количественное содержание и соотношение фракций шлака, при которых составы имеют свойства рядовых, высокопрочных, нормально-, быстро- и особобыстротвердеющих шлакощелочных вяжущих. Установлена возможность получения композиционных вяжущих оптимального гранулометрического состава без повышения энергозатрат на измельчение путем совместного помола или введения в шлак с минимально возможной удельной поверхностью 300 м2/кг минеральных добавок с большей, чем у шлака дисперсностью (в 1,6-2,6 раза). Полидисперсный состав композиционного шлакощелочного вяжущего имеет меньшую межзерновую пустотность, обеспечивает сохранение запаса гидратационной активности шлака, а в случае алюмосиликатных добавок повышает их реакционную способность при твердении.

6. Установлена эффективность наполнения и модифицирования шлакощелочных вяжущих добавками силикатного и алюмосиликатного состава, заключающаяся в возможности замены шлака в составе композиционного вяжущего до 80%, повышения эксплуатационных характеристик, обеспечении более глубокого взаимодействия шлака и щелочного компонента, снижения основности и повышения стабильности новообразований, совершенствования структуры камня композиционного вяжущего.

7. Выявлены зависимости изменения состава продуктов твердения и структуры камня композиционного шлакощелочного вяжущего в зависимос-

ти от химико-минералогического состава добавок. Впервые установлена взаимосвязь степени деструкции шлака, связанности щелочных оксидов в составе труднорастворимых продуктов твердения, ранней и долговременной прочности, степени закристаллизованности дисперсионной среды камня КШЩВ, связующей способности новообразований, растворимости продуктов твердения со степенью аморфизации кремнеземистых и алюмосиликатных добавок. На основе анализа результатов исследований поэлементного состава камня вяжущего с применением сканирующей электронной микроскопии выявлено повышенное содержание кремнезема в новообразованиях продуктов гидратации композиционных ШЩВ с добавками молотых отработанной формовочной смеси и золы в граничном слое на поверхности их частиц, а с добавкой микрокремнезема – по объему.

8. Установлены зависимости кубиковой и призменной прочности, модуля упругости, средней плотности, водопоглощения, водонепроницаемости и морозостойкости бетонов на основе КШЩВ с кремнеземистыми и алюмосиликатными добавками в зависимости от видов шлака, добавок, заполнителей и затворителей.

Практическая значимость.

Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены возможности расширения сырьевой базы шлакощелочных вяжущих, растворов и бетонов за счет применения в них в качестве минеральных добавок молотого отхода формовочной смеси, карбонатно-кремнистых цеолитсодержащих пород, боя керамического кирпича, кварцевого песка, золы и др. На основе выявленных закономерностей и установленных зависимостей связи состава, структуры, технологии и свойств разработаны рядовые и высокопрочные, нормально-, быстро- и особобыстротвердеющие КШЩВ марок до 1200 и на их основе растворы марок до 900 и бетоны классов по прочности до В80, по морозостойкости до F800 и по водонепроницаемости до W25. Разработано 3 нормативных документа и технологические схемы на производство и применение композиционных шлакощелочных вяжущих с кремнеземистыми и алюмосиликатными минеральными добавками. Проведена опытно-промышленная апробация – изготовлены на основе ШЩВ с затворителем – водным раствором жидкого стекла из ЦСП блоки колец обделки тоннеля метрополитена, показавшие экономическую эффективность использования при этом вяжущего и указанного щелочного затворителя.

Теоретические положения работы и результаты экспериментальных исследований используются в учебном процессе по курсам «Материаловедение», «Технология конструкционных материалов», «Вяжущие вещества», и «Местные строительные материалы», а также при выполнении студенческих НИР.

Апробация работы.

Результаты исследований и основные положения диссертации вошли в научные труды и патенты, докладывались и обсуждались на Международных конгрессах по строительным материалам в Германии, 2006, 2009; Международном симпозиуме по нетрадиционным вяжущим и бетонам в Чехии, 2009; V Международной НТК «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии», Тула, 2004; Международной научно-практической Интернет-конференции, Белгород, 2005; II-ой Всероссийской (международной конференции) «Бетон и железобетон - пути развития», Москва, 2005; Международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве SIB-2008», Воронеж, 2008; Всероссийской НТК «Проблемы строительного материаловедения», Саранск, 2002; годичных собраниях РААСН, Казань, 2003 и Санкт-Петербург, 2006; Всероссийской НТК «Актуальные проблемы строительства. Вторые Соломатовские чтения», Саранск, 2003; 8-ых Академических чтениях РААСН «Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения», Самара, 2004; 10-х Академических чтениях РААСН «Достижения, проблемы и направления развития теории и практики строительного материаловедения», Казань-Пенза, 2006; Всероссийской НПК «Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения», Казань, 2008; V-ой Республиканской НПК молодых ученых и специалистов «Наука. Инновации. Бизнес», Казань, 2005; республиканских ежегодных НТК в Казанском ГАСУ с 2002-го по 2009 гг.

На защиту выносятся:

- теоретические и экспериментальные основы получения и управления структурой и свойствами композиционных шлакощелочных строительных материалов на основе доменных шлаков и кремнеземистых и алюмосиликатных минеральных добавок природного и техногенного происхождения;

- закономерности и математические зависимости изменения состава, структуры и свойств композиционных шлакощелочных вяжущих, растворов и бетонов на их основе от вида, дисперсности, содержания и поверхностной активности доменных шлаков и кремнеземистых и алюмосиликатных минеральных добавок, вида затворителей, технологии совмещения компонентов и условий твердения;

- оптимальные составы композиционных шлакощелочных вяжущих с кремнеземистыми и алюмосиликатными добавками, растворов и бетонов и физико-технические свойства теста и камня вяжущих, растворных и бетонных смесей и растворов и бетонов на их основе;

- результаты опытно-промышленных испытаний применения бетона на основе шлакощелочного вяжущего с затворителем – жидким стеклом, полученным гидротермальной обработкой карбонатно-кремнистой цеолитсодержащей породы, при изготовлении железобетонных блоков колец тоннелей Казанского метрополитена.

Публикации

Основное содержание работы опубликовано в 62-х научных статьях, из них 19 в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК, 4 – в материалах докладов научных конгрессов и симпозиума в Германии и Чехии. Новизна технических решений подтверждена 5-ю патентами РФ на изобретения. Одна статья отмечена дипломом конкурса работ молодых ученых, проводившегося редакцией журнала «Строительные материалы» (2008), два патента на изобретения отмечены дипломами и премиями Республиканского совета общества изобретателей и рационализаторов РТ (2008, 2009), инновационная идея «Производство композиционных шлакощелочных вяжущих, бетонных и железобетонных изделий на их основе» отмечена дипломом на Первом Республиканском конкурсе «50 лучших инновационных идей Республики Татарстан» (2005).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 8 глав, общих выводов, библиографического списка и приложений, работа изложена на 267 страницах машинописного текста, содержит 96 рисунков, 113 таблиц, списка литературы из 522 наименований, 5 приложений на 46 страницах.

Автор выражает благодарность своим бывшим аспирантам – кандидатам технических наук Гатауллину Р.Ф., Рахимову М.М., Соколову А.А., сотрудникам кафедры строительных материалов Казанского ГАСУ, кафедры минералогии Казанского Государственного Университета, ЦНИИГеолнеруд за участие и помощь в проведении отдельных исследований.

Решение отдельных задач диссертационной работы проводились в порядке выполнения госбюджетных НИР Казанского ГАСУ, планам и грантам НИР Российской академии архитектуры и строительных наук по темам: «Провести анализ состояния, выполнить комплекс исследований и разработать научно-обоснованные рекомендации по расширению использования техногенных образований и отходов промышленности в производстве строительных материалов и строительстве», «Ячеистые бетоны на основе композиционных шлакощелочных вяжущих», «Композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотых продуктов дробления бетонных изделий», «Закономерности изменения прочности и плотности ячеистых бетонов на основе композиционных шлакощелочных вяжущих (газобетон)», гранта для государственной поддержки научных исследований молодых ученых Республики Татарстан по теме: «Разработка современных сухих строительных смесей с применением местных модифицирующих добавок на основе природного сырья Республики Татарстан и техногенных продуктов», по хоздоговорным НИР с производственными организациями.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность проведения исследований по разработке теоретических и экспериментальных основ получения и управления структурой и свойствами композиционных шлакощелочных вяжущих с минеральными кремнеземистыми и алюмосиликатными добавками, растворов и бетонов на их основе.

В первой главе проведен анализ состояния разработок по исследованию, получению и применению КШЩВ с минеральными добавками, растворов и бетонов на их основе.

Для достижения поставленной в работе цели потребовалась предварительная оценка результатов известных исследований шлакощелочных вяжущих с минеральными добавками и строительных материалов на их основе по критериям: основные тенденции современного развития ШЩВ и КШЩВ; сырьевая база ИСКМ на основе ШЩВ и КШЩВ и требования к сырьевым материалам; состав, структура и свойства, а также определяющие их факторы, ШЩВ, как минеральной матрицы тонко- и крупнозернистых искусственных строительных композиционных материалов (ИСКМ); виды пригодных для получения КШЩВ с минеральными добавками веществ природного и техногенного происхождения; изученность КШЩВ с различными минеральными добавками, растворы и бетоны на основе ШЩВ.

Основными направлениями современного развития активированных щелочами цементов являются:

- поиск и исследование потенциальных возможностей использования различных видов природного и техногенного сырья для получения активированных щелочами цементов;

- разработка активированных щелочами цементов с минеральными и химическими добавками;


загрузка...