Учебное пособие 800233

На правах рукописи

СТЕПАНОВА Мария Петровна

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДИТО-АЛЮМОСИЛИКАТНОЙ КОНТАКТНОКОНДЕНСАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ТВЕРДЕНИЯ

Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж – 2013

1

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 14 июня 2013 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 при Воронежском государственном архитектур- но-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20 - летия Октября, 84, ауд. 3220, тел.(факс): (473) 271-59-05

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 10 мая 2013 г

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. С древнейших времен известковые, известковопуццолановые, известково-цемяночные, известково-глинитные вяжущие, составы которых наши предки нашли эмпирическим путем, широко и повсеместно использовались в строительстве. Еще в первой половине XX века эти вяжущие занимали значительное место в строительной практике. Развитие производства и относительная доступность цемента привели к существенному снижению спроса на многие бесклинкерные, в том числе и известковые (портландитовые) вяжущие.

Сегодня приоритеты научно-прикладных технологических разработок как традиционных строительных материалов, так и материалов новых поколений определяются актуализацией концепции и критериев ресурсосбережения и энергоэффективности. Поэтому на современном витке развития строительного материаловедения и промышленных производств, востребованными могут оказаться системы твердения и композиты, получаемые на основе портландита по энергосберегающей контактно-конденсационной технологии. В существе теории этой технологии, опирающейся и на наноподходы, лежит идея о том, что дисперсное аморфное или кристаллическое вещество, находящееся в нестабильном энергетическом состоянии, обладает способностью к конденсации и образованию твердого тела. Реализуя принципы этой идеи, возможно обеспечить формирование систем твердения и композитов из предварительно подготовленных и наделенных неравновесностью энергетического состояния нано- и микроразмерных кристаллов портландита, используемых в смеси с кислотными (включая алюмосиликатные) компонентами природного и техногенного типа. Такие смеси рассматриваются в работе в качестве объекта исследования. Изучение закономерностей структурообразования систем твердения и композитов при этом принимается в работе в ка-

честве предмета исследований.

Таким образом, работа посвящена решению связанных с объектом и предметом исследований вопросов, относящихся к рассмотрению возможностей достижения твердого состояния строительных композитов на основе известковых (бесклинкерных) систем твердения в результате реализации управляемых механизмов контактно-конденсационного структурообразования непосредственно в процессе компактирования смеси нано- и микроразмерных кристаллов портландита и частиц кислотных оксидов и их гидратов без применения тепловой обработки.

Постановка этих исследований отвечает принятой цели диссертационной работы - разработке технологии строительных композитов на основе компактирования кристаллов портландита и компонентов алюмосиликатного состава природного и техногенного типов, с учетом механизмов контактноконденсационного структурообразования.

Задачи исследований:

1. Рассмотреть возможность получения композиционных материалов с известковыми (бесклинкерными) контактно-конденсационными системами

3

твердения, обладающими способностью к упрочнению непосредственно при принудительном компактировании нано- и микродисперсных частиц исходных щелочных и кислотных оксидов и их гидратов, наделенных или целенаправленно наделяемых неравновесным энергетическим состоянием.

2.Дать анализ механизмов структурообразования кристаллитной (портландитовой) и композитной (портландито-алюмосиликатной) систем твердения при сочетании нано- и микроразмерных кристаллов портландита с микродисперсными и тонкозернистыми алюмосиликатными по составу компонентами.

3.Исследовать закономерности получения индивидуальных нано- и микроразмерных кристаллов портландита с неравновесным энергетическим состоянием и предложить технологические варианты гидратации извести в различных условиях и сочетаниях ее с алюмосиликатным компонентом.

4.Экспериментально подтвердить возможность получения материала портландито-алюмосиликатного состава с учетом структурообразующей роли компонентов при формировании композита.

5.Провести оптимизацию составов и технологических режимов получения портландито-алюмосиликатного композита.

6.Оценить основные физико-механические характеристики полученного материала, разработать предложения к технологическому регламенту производства портландито-алюмосиликатных композитов и направления его практической реализации.

Диссертационная работа выполнялась в рамках программы фундаментальных научных исследований РААСН по приоритетному направлению «Развитие теории и основ конструирования строительных наноструктурированных композитов нового поколения», в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ «Разработка и развитие основ конструирования высокотехнологичных функциональных строительных композитов нового поколения».

Научная новизна работы:

- установлено, что возможность формирования в компактируемом композите различных по величинам прочных связей предопределяется мерой неравновесности энергетического состояния сырьевых компонентов, которое в отношении искусственного портландитового камня достигается изменением способов получения индивидуальных кристаллов портландита, а в отношении алюмосиликатного компонента - применением механо-химической активации посредством тонкого измельчения;

- показано, что на развитие физико-химических явлений структурообразования и, следовательно, на прочность композита непосредственно после формования влияют состояние кристаллов портландита, определяемое способами их подготовки, а также технологическая вариантность получения портландито-алюмосиликатного композита по раздельной (А - вариант) и совмещенной (Б - вариант) технологиям подготовки сырьевых смесей, включающих природный алюмосиликатных компонент - цеолит и техногенный - керамический бой;

4

-доказано, что при структурообразовании портландитоалюмосиликатного композита параллельно реализуются несколько его механизмов: механизм кристаллохимического двойникования при формировании связи «портландит-портландит», синтезный механизм образования новых фаз при развитии структурных связей «портландит-алюмосиликатный минерал», механизм кристаллохимической эпитаксии для связи «портландит – кальцит»

и«портландит-кварц»; показано, что основными продуктами новообразований в портландито-алюмосиликатном композите являются гидроалюминаты

игидросиликаты кальция;

-обоснованы и выделены определяющие условия и факторы, оказывающие влияние на формирование структуры и прочности композиций портландита с тонкомолотым цеолитом, с тонкомолотой грубой керамикой; в состав этих условий входят способы получения кристаллов портландита, вариант технологического сочетания кристаллов портландита с кислотным компонентом, а также рецептурно-технологические факторы - массовая доля алюмосиликатного компонента, прессовое давление, влажность формуемой сырьевой смеси.

Практическое значение работы:

-впервые методом компактирования получены композиты на основе матрицы из кристаллов портландита и природных и техногенных алюмосиликатных наполнителей, обладающие «мгновенной» прочностью до 10 МПа, которая к 28 сут возрастает более чем в 2 раза.

-на основании вероятностно-статистических моделей, полученных при проведении эксперимента методом активного планирования, для трех вариантов оптимизационного критерия цели (максимума прочности непосредственно после формования; максимума количества наполнителя в композите для достижения задаваемой прочности; минимума величины прессового давления для обеспечения назначенной начальной прочности) предложены решения по составам исходных портландито-алюмосиликатных смесей и технологическим условиям, обеспечивающим формирование рациональных структур.

-установлено, что энергозатраты в расчете на единицу измерения прочности композита, получаемого по «контактно-конденсационной технологии» в 2-3 раза ниже в сравнении с «цементной технологией» и на 20-30 % ниже в сравнении с «автоклавной технологией».

Прикладное значение диссертационных исследований заключается в разработке технологических вариантов получения бесклинкерных (известковых) строительных материалов с использованием природных и техногенных алюмосиликатных компонентов; в обосновании решений по составам композита, обеспечивающим получение прочности композита непосредственно после формования без тепловой обработки; в разработке предложений по технологии изготовления мелкоштучных стеновых изделий и компоновочных решений производственных линий.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно обоснованных методик комплексных оценок состава,

5

структуры, состояния и свойств материалов, методов планирования экспериментов, моделирования и оптимизации, вероятностно-статистических методов обработки полученных результатов.

Реализация результатов работы. По результатам работы подготовлен «Технологический регламент на изготовление прессованного кирпича на основе кристаллов портландита и тонкомолотого алюмосиликатного компонента», предложены компоновочные решения технологической линии производительностью 5 млн. шт. в год.

Теоретические положения и результаты исследований используются в учебном процессе при постановке учебно-исследовательских работ по дисциплинам «Основы научных исследований и технического творчества», «Методы исследования неорганических веществ и материалов» для бакалавров направления 270800 «Строительство» профиля 270800.62 «Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций», по дисциплине «Основы технологи строительных материалов и композитов» для бакалавров направления 020300.62 «Химия, физика и механика материалов».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на XV академических чтениях РААСН (Казань, 2010 г.), на международной конференции «Биосферно-совместимые технологии в развитии регионов» (г. Курск, 2011 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского ГАСУ (2009 - 2012

гг.).

Автор защищает:

- выдвинутые положения о возможных механизмах формирования структурных связей контактно-конденсационного типа в компактируемых портландито-алюмосиликатных композициях;

-результаты комплексного исследования идентификационных структурных характеристик компонентов, входящих в состав композита;

-разработанные технологические варианты получения кристаллов портландита при гидратации извести в различных условиях и вариантах сочетаниях ее с алюмосиликатным компонентом;

-результаты экспериментальных исследований структурообразования

исвойств портландито-алюмосиликатных систем твердения и композитов с использованием природных и техногенных сырьевых материалов алюмосиликатного типа;

-результаты оптимизации составов и параметров получения портлан- дито-алюмосиликатных композитов контактно-конденсационного твердения;

-предложения к технологическому регламенту изготовления прессованных мелкоштучных изделий из смесей портландито-алюмосиликатного состава и компоновочные решения технологической линии.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, из них четыре в ведущих рецензируемых научных журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, приложений и содержит 197 страниц, включая 26 таблиц, 68 рисунков, список литературы из 166 наименований.

6

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса, обоснование задач и содержания исследований

Бесклинкерные системы твердения используются в строительстве с древнейших времен. Большая их группа основана на применении известкового вяжущего и включает известково-карбонаткальциевые, известковокремнеземистые, известково-алюмосиликатные и другие разновидности.

В новое и новейшее время исследованием твердения извести занимались Петерс, Гресси, Черников, Оденберг, Каплан, которые имея в виду работы Михаэлиса, подтвердили возможность гидратационного твердения извести. В дальнейшем исследованием проблемы получения камня из извести-кипелки занимались Осин Н. В. и практик-изобретатель Смирнов И.В. В результате им удалось получить монолит, применяя сложные приемы преодоления взрывного характера протекания высокоэкзотермичной реакции гидратации извести. Однако в силу сложности предлагаемых приемов данные работы не нашли практического применения и исследования проблемы были приостановлены.

Работы Логгинова Г.И, Попова Н.А., Волженского А.В., Боженова П.И., Зацепина К.С. и др. в области изучения известковых систем явились основой для разработки производства силикатных плотных и ячеистых бетонов, в технологии которых используются элементы гидратационного твердения извести.

Современные работы Прокофьевой В.В., Кореньковой С.Ф., Чумаченко Н.Г., Цыремпилова А.Д., Дамдиновой Д.Р., Урхановой Л.А., Лесовика В.С., Козловой В.К., Овчаренко Г.И., Акчурина Т.К., Шинкевич Е.С., Рахимовой Н.Р., Пичугина А.П., Белова В.В., Корнеева А.Д., Гончаровой М.А. и др. раскрывают многие вопросы структурообразования систем твердения на основе бесцементных и малоцементных вяжущих с применением природных и техногенных компонентов. Эти работы имеют важное значение для решения сформулированной в диссертации проблемы.

С развитием производства цемента и индустриализацией строительства применение известковых вяжущих практически прекратилось. Однако данные виды вяжущих обладают высоким потенциалом эффективности; практическая реализация их технологии может способствовать успешному решению приоритетных задач ресурсосбережения в строительстве.

В 90-х годах Е.М. Чернышовым, Н.Д. Потамошневой были развернуты исследования по решению проблемы образования кристаллического сростка при гидратации извести и получению портландитового камня. Было предложено отделить процесс получения индивидуальных нано-и микроразмерных кристаллов портландита от процесса формирования из них сростка. Для этого предварительно получали индивидуальные кристаллы портландита, а затем при их компактировании, реализуя механизм контактно-конденсационного твердения, обеспечивали формирование из них кристаллического сростка. В результате удалось сложить кристаллитную структуру с прочностью 25-30 МПа непосредственно после компактирования индивидуальных кристаллов

7

портландита без применения тепловой обработки. Фактически были обоснованы принципиальные решения новой энергоэффективной технологии. Портландитовый камень полученной прочности мог рассматриваться в качестве матрицы для структурообразования бесклинкерных строительных композитов в сочетании ее с наполнителями природного или техногенного происхождения. В качестве одного из перспективных решений являлось получение портландито-карбонаткальциевых композитов, что было показано О.Б. Кукиной, О. Р. Сергуткиной. Другим не менее перспективным направлением можно считать разработку технологии строительных композитов на основе портландитовой системы твердения в сочетании ее с алюмосиликатным компонентом природного и (или) техногенного типов.

Основные возможные механизмы образования структурных связей в композите с портландитовой матрицей

Принимая алюмосиликатный компонент как наполнитель в портландитовой матрице, необходимо иметь в виду его не только механическую, но и физико-химическую роль, то есть способность участвовать в реакциях образования (синтеза) физико-химических связей системы твердения (матрицы).

В портландито-алюмосиликатном композите образование структурных связей может (рис. 1) происходить между кристаллами портландита, между кристаллами портландита и частицами алюмосиликатного наполнителя, а также между самими частицами наполнителя, и развиваться по нескольким механизмам. При этом необходимо учитывать, что в состав алюмосиликатного материала, который выполняет роль и реагента и наполнителя в композите, могут входить помимо алюмосиликатных минералов кальцит, кварц. Поэтому при формировании связи «портландит-алюмосиликатный компонент» возможно развитие контактов с любым их них по основным механизмам,

Рис. 1- Возможные варианты взаимодействия компонентов при структурообразовании портландито-алюмосиликатного композита

обозначенным в табл. 1. Так, для связи «портландит-алюмосиликатный компонент» возможна реализация синтезного и эпитаксиальных механизмов. В итоге компактируемые кристаллы портландита и частицы наполняющего компонента могут омоноличиваться продуктами синтеза гидратных соединений, возникающими в процессе взаимодействии кислотного и щелочного оксидов; на алюмосиликатной подложке также возможно формирование кри-

8

сталлогидратных фаз в результате коалесценции аморфных частиц, возникающих на первом этапе коллоидации и конденсации.

Формирование связи «портландит-портландит» основывается, как известно, на механизме кристаллохимического двойникования.

Образование связи «наполнитель-наполнитель» связывается с проявлением сил физико-механического типа, таких как физико-механическое трение, зацепление и электростатическое притяжение.

Таблица 1 Основные возможные механизмы формирования структурных связей в композите

портландито-алюмосиликатного состава

Основные положения методики, методы экспериментальных исследований, применяемые материалы

Общим методологическим принципом работы являлся структурный подход и методы системно-структурного материаловедения, применение которых обеспечивает анализ взаимосвязи «технологические факторы» - «состав, структура, состояние, свойства материала».

9

При выполнении экспериментальных исследований для изготовления образцов композиционного материала использованы сырьевые материалы, удовлетворяющие требованиям соответствующих стандартов:

- известь комовая негашеная с массовой долей активной СаО 85-90 % со скоростью гидратации 7-10 мин и температурой гидратации 100 0С, размолотая до удельной площади поверхности частиц 1000 - 6000 см2/г; бой керамического кирпича Семилукского комбината строительных материалов, размолотый до удельной площади поверхности частиц 1000 - 6000 см2/г; цеолит Холинского месторождения (Алтайский край) с содержанием клиноптилолита не менее 60 %, размолотый до удельной площади поверхности частиц 3000 -

9000 см2/г.

Исследования проводились в два этапа. На первом этапе изучались модельные системы, в которых изменялись способы гидратации извести (от варианта на холоду до варианта кипячения), а также варианты технологического сочетания кристаллов портландита и алюмосиликатного компонента – раздельный и совмещенный. При назначении способов получения кристаллов портландита (табл. 2) добивались различной скорости гидратации СаО, скорости изменения концентрации раствора оксида и гидроксида кальция, кристаллизации Са(ОН)2, и, как следствие этого, получали различное энергетически неравновесное состояние монокристаллов портландита, предназначенных для последующего формирования структуры портландитовой матрицы.

Таблица 2

При получении композита в исследованиях реализовывались два варианта его технологии – раздельный (А-вариант) и совмещенный (Б-вариант).

А–вариант технологии заключался в предварительном получении кристаллов портландита по способам I-IV, а затем механическом их смешивании с тонкомолотыми алюмосиликатными компонентами; полученная смесь компактировалась прессованием.

Б – вариант отличался тем, что процесс гидратации извести и кристаллизации портландита происходил по способам I-IV в присутствии алюмо-

10