Мастика і бетон на основі вапнякових сірчаних руд Прикарпаття

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна академія будівництва і архітектури

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

«Мастика і бетон на основі вапнякових сірчаних руд Прикарпаття»

Запісоцький Петро Васильович

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

УДК 691.335.478.9

Макіївка - 1999

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Українському науково-дослідному і проектно-конструкторському інституті будівельних матеріалів і виробів НДІБМіВ (м. Київ).

Науковий керівник:Орловський Юрій Ігорович, Державний університет “Львівська політехніка” доктор технічних наук, старший науковий співробітник, професор кафедри “Автомобільні дороги і аеродроми”.

Офіційні опоненти:

Вознесенський Віталій Анатолійович, Одеська державна академія будівництва і архітектури, доктор технічних наук, професор завідувач кафедри “Процеси і апарати в технології будівельних матеріалів”;

Ушеров-Маршак Олександр Володимирович, Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури, доктор технічних наук, професор кафедри “Фізико-хімічна механіка і технологія бетону”.

Провідна установа: Придніпровська державна академія будівництва і архітектури, Міністерство освіти України (кафедра технології бетону і вяжучих).

Захист дисертації відбудеться “23” вересня 1999 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Україна, 339023, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, І навчальний корпус, зал засідань).

3 дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Україна, 339023, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий “23” серпня 1999 р.

Вчений секретар ,спеціалізованої вченої ради ,

кандидат технічних наук, доцент А.М. Югов

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Сьогодні накопичений значний досвід використання сірки як термопластичного в'яжучого для виготовлення композиційних матеріалів, зокрема сірчаних і полімерсірчаних бетонів, що характеризуються високими фізико-механічними і експлуатаційними характеристиками.

Крім технічної сірки для виготовлення бетонів можуть використовуватися сірковмісні відходи як видобування, так і перероблення сірки. Однак, в Україні ці матеріали широко не використовуються. Обсяги видобування сірки на підприємствах Прикарпаття і її перероблення значно скоротилися, що викликало зменшення кількості відходів. Пошук шляхів поповнення сировинної бази для виробництва сірчаних бетонів, які не потребували б високих енергетичних витрат, є важливим для України, оскільки в її західному регіоні розміщені високоперспективні родовища сірчаних руд.

Досліджень, присвячених можливості використання сірчаної руди безпосередньо для виробництва будівельних матеріалів і виробів, практично не проводилось. Виконані в Україні і за рубежем пошукові роботи показали перспективність напрямку і його економічну доцільність.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась за Державною науково-технічною програмою “Ресурсозберігання” в складі комплексного проекту 04.06.02.001/12 “Створити технологію виробництва будівельних матеріалів і виробів на основі відходів промисловості”, затвердженого наказом ДКНТ України № 45 від 31.03.1993 р.

Метою дослідження є розроблення оптимальних складів і технології виготовлення сірчаних мастик і бетонів на основі вапнякових сірчаних руд Прикарпаття і встановлення закономірностей формування їх мікроструктури за рахунок наповнювачів і модифікування сірчаного в'яжучого.

Задачі досліджень:

* на основі результатів мінералогічного і хімічного аналізів руди математико-статистичним методом оцінити її однорідність за вмістом елементарної сірки;

* використовуючи в'яжучі властивості сірки і наявність в руді мінеральних домішок, які можуть бути якісними наповнювачами, розробити склади мастик і бетонів;

* дослідити процеси структуроутворення в системах “руда-наповнювач” і “руда-нановнювач-заповнювач”, зокрема і з використанням модифікованої сірки;

* дослідити основні фізико-механічні властивості розроблених складів мастик і бетонів з використанням силового обладнання, тензометрії, ультразвукової дефектоскопії та методами механіки руйнування твердого тіла;

* виконати дослідно-виробничу апробацію в будівництві розроблених складів мастик і бетонів і дати економічне обґрунтування доцільності їх застосування.

Наукова новизна отриманих результатів:

* вперше встановлена і науково обґрунтована можливість отримання сірчаних мастик і бетонів на основі меленої збагаченої вапнякової сірчаної руди Прикарпатських родовищ з показниками, порівнюваними з бетонами на основі технічної сірки;

* отримані кількісні залежності впливу мінеральних наповнювачів і заповнювачів, а також модифікованого стану сірки на показники фізико-механічних і теплофізичних властивостей сірчаних мастик і бетонів;

* встановлені причини підвищення міцності полімерсірчаних мастик, які полягають в тому, що зі збільшенням ступеня наповнення мінеральним наповнювачем значно зменшуються розміри кристалів сірки, які формуються на поверхні наповнювача доти доки основна їх частина не перейде в однорідний дрібнокристалічний стан міжфазового прошарку;

* вперше оцінена тріщиностійкість, витривалість при багаторазово-повторній дії навантаження і в'язкості руйнування розроблених бетонів з позицій механіки руйнування твердого тіла;

* встановлено, що, якщо заповнювач комірчастий і має ліофільний характер, а його міцність нижча від міцності контактної зони ( вапняк), відбувається гальмування руху тріщини; якщо заповнювач щільний, ліофобний (гранітний щебінь) і його міцність вища від міцності контактної зони, тріщина рухається по межі розділу фаз.

Практичне значення отриманих результатів:

* розроблено технологічний регламент на проектування дослідно-промислової лінії для виробництва будівельних виробів на основі технічної сірки і сірчаної руди, який став основою для технічного завдання на проектування лінії, що здійснено в 1996 р. Харківським акціонерним підприємством “Проектбудіндустрія”;

* на заводі ім. Малишева (Харків) за робочими кресленнями виготовлене нестандартне обладнання і в 1997 р. за замовленням Державного унітарного підприємства Міністерства шляхів сполучення Росії на промисловій базі в селищі Аннау (Туркменія) був змонтований і запущений в експлуатацію завод з виробництва будівельних виробів з сірчаного бетону;

* на основі запропонованої автором технології, її апробації у виробничих умовах і досвіду впровадження розроблені: “Руководство по применению и технологии изготовления серных и полимерсерных мастик и бетонов в строительстве”, “Рекомендации по технологии изготовления серных бетонов на основе серосодержащих отходов”, “Методические рекомендации по технологии изготовления и применению серных мастик и бетонов на основе молотых известняковых серных руд и менілітовых сланцев Прикарпатских месторождений”; Технологические условия Туркменистана “Отходы серосодержащие” TС-164666203-1-97, “Плиты из серного бетона”TС-164666203-2-97.

Особистий внесок здобувача. Предметом захисту є виявлені особисто автором:

- закономірності формування структури сірчаних мастик і бетонів на основі меленої сірчаної руди, зокрема модифікованої сірки;

- показники міцнісних, деформативних і теплофізичних характеристик сірчаних мастик і бетонів з комплексно-модифікованою мікроструктурою;

- рекомендації щодо технології виробництва розроблених складів сірчаних мастик і бетонів та їх використання в будівництві.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи і матеріали досліджень висвітлювались і обговорювались на міжнародних семінарах: “Структуроутворення, міцність і руйнування композиційних будівельних матеріалів і виробів” (Одеса, 1994); “Теорія і практика будівництва і будівельних матеріалів” (Суми, 1994); “Моделювання в матеріалознавстві” (Одеса, 1995); “Структуроутворення, міцність і руйнування композиційних будівельних матеріалів і конструкцій” (Одеса, 1996); на ХХХV міжнародному семінарі “Моделювання і обчислювальний експеримент в матеріалознавстві” (Одеса, 1996); на ХХХVI міжнародному семінарі “Комп'ютерне матеріалознавство і забезпечення якості” (Одеса, 1997); на ХХХVII міжнародному семінарі “Оптимізація в матеріалознавстві” (Одеса, 1998); на 1 міждержавному семінарі “Проблеми вогнезахисту будівельних матеріалів і конструкцій” (Львів, 1994); на VI міжнародній конференції “Технологія в будівництві” (Кошице, Словакія, 1997); на III міжнародній конференції “Довговічні і безпечні дорожні покриття” (Кельце, Польща, 1997); на міжнародній конференції “Бетони і бетонні конструкції” (Жиліна, Словакія, 1998).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 6 статей (3 - в журналах і 3 - в збірниках наукових праць) і 11 тез доповідей.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 глав, основних висновків, списку літератури з 95 найменувань на 8 сторінках і двох додатків на 13 сторінках. Містить 156 сторінок основного тексту, серед них 49 рисунків (34 сторінки) і 32 таблиці (12 сторінок).

1. Основний зміст роботи

сірчаний мастика бетон руда

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і завдання дослідження, наведено основні наукові результати, які отримав автор, відзеркалено їхнє практичне значення і сфери реалізації.

В першому розділі аналізується стан питання і наукові досягнення щодо застосування сірки і відходів, які її містять. Охарактеризовані природні руди Прикарпатських родовищ і стан досліджень використання сірчаної руди в промисловості будівельних матеріалів. Висувається і обґрунтовується наукова гіпотеза, з якої випливають мета і завдання дослідження.

Сьогодні сірковидобувна промисловість України переживає кризу, яка призвела до різкого скорочення видобування сірки. Зменшення видобування і перероблення сірки спричинило зниження обсягів відходів, які містять сірку, таких, як зола відстоювання, кек фільтрації, сірчаний шлам, “хвости” флотаціі, тобто зменшення сировинної бази виробництва композиційних будівельних матеріалів на основі сірки.

Концентрат сірчаної руди - це подрібнений матеріал, який служить сировиною для отримання технічної сірки методом флотації. Концентрат містить 25 і більше відсотків елементарної сірки ??- модифікації, яка під час плавлення руди здатна створювати зв'язки кристалізаційного типу, тобто виконувати роль термопластичного в'яжучого.

Виходячи з цього і враховуючи мінеральний і хімічний склад руди, основним складником якої складає вапняк (більше 60 %), була сформульована наукова гіпотеза; суть її в наступному.

Базуючись на теоретичних і експериментальних дослідженнях, виконаних науковими школами під керівництвом В.В. Патуроєва (О.Є. Нікітін, В.О. Єрьоміна, К.В. Орловська, М.В. Патуроєв), Ю.І. Орловського (М.І. Мовчан, О.Д. Савчик, П.П. Цибіленко, Б.П. Івашкевич, І.В. Маргаль, В.О. Камменов, С.О. Манзій, В.І. Хоржевський), а також дослідників І.О. Мацаріна, В.І. Щукіна, М.Ш. Оспанової, В.І. Тарасевича, Л.С. Якушевої, Н.А. Джаші, Д.О. Угінчуса, О.Г. Вандаловського, А.М. Волгушева та інших, можна вважати, що використання замість технічної сірки і відходів, які її вміщують, концентрату сірчаних руд дасть змогу отримати новий вид сірчаного бетону; присутня в концентраті елементарна сірка може виконувати роль термопластичного в'яжучого, а її мінеральна частина - структуро утворювального наповнювача. Оскільки основною частиною руди є вапняк, який є ефективним сорбентом, можна очікувати підвищення техніки безпечного ведення робіт, корозійної стійкості технологічного обладнання і зниження концентрації можливих токсичних виділень внаслідок реакції нейтралізації сірчаних сполук карбонатом кальцію.

У другому розділі наведена характеристика вихідних матеріалів, технологія виготовлення дослідних зразків і методики досліджень.

Вихідною сировиною для виготовлення сірчаної мастики і бетону була мелена вапнякова сірчана руда Яворівського родовища Львівської області з середнім вмістом сірки 25,8 %. Результати статистичної оцінки вмісту елементарної сірки в руді показали, що він має невисоку змінність. Коефіцієнт однорідності руди за вмістом сірки становив 0,76. Крім руди, для порівняльних аналізів, під час розроблення складів використовували безсіркову вапнякову породу цього ж родовища, технічну сірку, а також традиційні матеріали, характерні для технології сірчаних мастик і бетонів (мелений кварцовий пісок, кварцовий пісок і гранітний щебінь). Мололись матеріали у керамічному кульовому млині з фарфоровими мелючими тілами, а сушилися у 4-х секційній сушильній установці. Мастика і бетон готувались в змішувачі примусової дії. Теплоносієм було трансформаторне мастило.

Модифікування сірки проводилося в реакторі з вертикальною пропелерною мішалкою з автоматичним регулюванням температури термостатом. Як модифікатор використовувався кам'яновугільний дициклопентадієн, отриманий при переробленні фракцій сирого бензолу на Баглеївському коксохімічному заводі (Дніпропетровська обл.) і кубові залишки ректифікації стиролу виробництва ВО “Стирол” (Горлівка, Донецька обл.).

Робочі склади підбиралися приведенням складу руди до еталонного. За еталонний був прийнятий склад, розроблений НДІЗБ (Москва) і Львівським філіалом НДІБМіВ, % за масою: сірка - 12, кварцова мука - 12, кварцовий пісок - 24, гранітний щебінь фракції 5-10 м.10-5 - 52.

Методики досліджень. Фізико-механічні характеристики зразків визначались згідно з методиками чинних ДСТУ з використанням пресового обладнання, тензометрії та індикаторів годинникового типу. Параметричні рівні тріщино утворення визначалися за методикою О.Я. Берга з використанням ультразвукової дефектоскопії на приладі при дії багаторазово-повторного навантаження на вібраційній установці. Випробування проводились при частоті 50 Гц, характеристиці циклу 0,5 на базі 2 млн. циклів. В'язкість руйнування оцінювалась за методикою В.І.Шевченко, яка передбачає випробування зразків (4х4х16).10-2м резонансним методом за допомогою приладу ИЧМ. Для випробувань був використаний гідравлічний прес фірми “Амслер” (Швейцарія) з ручним приводом, що дає змогу прикладати навантаження з точністю 0,1 Н. Зусилля прикладалися всередині прогону через попередньо протарований динамометр стиску ДОСМ-3. Розтягувальні напруження в бетоні в зоні над штучною тріщиною фіксувалися тензодатчиками опору, показники яких замірювались автоматичною тензостанцією з записом результатів самописцем. Прогини посередині прогону вимірювались індикатором годинникового типу з ціною поділки 1. 10-5м.

Розміри частинок оцінювались ситовим аналізом (прилад ФР-1) та мікроскопічним методом (мікроскоп МИН-8 і “Неофот-30”). Термогравіметричний аналіз виконаний на дериватографі ОД-1000 (Угорщина) у лабораторії калориметричних досліджень Харківського державного технічного університету будівництва і архітектури. Фазовий склад визначався методом рентгенофазового аналізу на дифрактометрі ДРОН-2. В роботі були також застосовані методи мікротвердометрії (прилад ПМТ-3), люмінесцентної дефектоскопії, спектрального аналізу (кварцовий спектрограф ИСП-22). Дослідження з токсикології проводились в Київському НДІ загальні комунальної гігієни ім. Марзєєва методами емісійно-спектрального і атомно-абсорбційного аналізів, масспектрометрії і газової хроматографії.

Характер мікроструктури зразків вивчався за допомогою растрового сканувального мікроскопа “JSM-25S” (Японія) в лабораторії фізико-хімічних досліджень НДІЗБ (Москва).

У третьому розділі розглянуті особливості формування структур сірчаної мастики і бетону та їх вплив на фізико-механічні властивості досліджуваних складів.

Встановлена принципова можливість одержання мастик і бетонів на основі меленої збагаченої вапнякової сірчаної руди з характеристиками, порівнюваними з аналогічними матеріалами, виготовленими на основі технічної сірки і традиційних мінеральних заповнювачів (таблиця).

Вивчення залежності міцності мастики на вапняковому наповнювачі від ступеня дисперсності показує, що із збільшенням кількості наповнювача міцність росте, при ступені наповнення 1:1,75 досягає максимуму, а потім зменшується, що пояснюється недостатньою кількістю сірки для повного змочування поверхні наповнювача (рис.2). УКБ-ІМ в комплексі з тензометричною станцією. Для вимірювання температурних деформацій застосовувалися: кварцовий дилатометр ДКВ-2 (мікроструктурний рівень); спеціальна установка розроблена в Львівському філіалі НДІБМіВ під керівництвом Ю.І. Орловського ( деформації вимірювалися індукційним датчиком переміщень) зібрана на основі термошафи з автоматичним регулюванням температури. Комплекс теплофізичних характеристик визначався на установці НДІБМіВ (Київ). Коефіцієнт теплопровідності досліджувався згідно з методикою ДСТУ 7076-87 на установці ИТСМ-1.Таблиця. Основні фізико-технічні характеристики сірчаного бетону

Експериментальний характер зміни міцності мастики залежно від ступеня наповнення аналогічний зміні міцності мастик на основі синтетичних смол. Однак причини підвищення міцності на першій ділянці в сірчаних і полімерсірчаних мастиках різні. Дослідження мікроструктури показали, що із збільшенням ступеня наповнення різко зменшуються розміри кристалів сірки, які формуються на поверхні наповнювача доти, доки основна їх частина не перейде в більш однорідний дрібнокристалічний стан міжфазового шару, що і зумовлює таке значне підвищення міцності мастики.

Оптимальний ступінь наповнення мастики залежить від характеру шпаруватості наповнювача і відповідно сіркомісткості. Для вапнякового наповнювача він лежить в інтервалі 1:1,75-1:2, для кварцового - 1:2-1:2,5.

Абсолютне значення міцності мастик залежить від питомої поверхні і міцності частинок наповнювача, а також від величини їх адгезійних зв'язків з сіркою. Із збільшенням питомої поверхні, як і із зростанням ступеня наповнення, міцність зростає, при значенні 400-500 м2/кг досягає максимуму, а потім падає, оскільки після наповнення системи вище від граничного стану сірки не вистачає для повного змочування поверхні наповнювача.

Аналізуючи міцнісні характеристики сірчаних мастик і бетонів на кварцовому і вапняковому наповнювачах, робимо висновок, що за однакових умов абсолютна міцність мастики на вапняковому міцному наповнювачі вища, ніж на кварцовому. На наш погляд, на зміцнення мастики визначальний вплив має модифікація сіркою мікрошпаруватої структури наповнювача, якщо його розглядати з позицій теорії міжфазового шару.

Відомо, що в розплаві сірки, крім циклічних молекул присутня певна кількість розімкнених молекул полімерної сірки. Проникаючи в мікрошпари вапнякового наповнювача, розплав твердіє в специфічних умовах. Можна припустити, що геометричні обмеження, поряд з орієнтованою спрямованістю поверхні матриці, можуть призвести під час твердінні до утворення граничного шару сірки, яка складається з макромолекул полімерної сірки і розімкнених молекул, зв'язаних силами не специфічної взаємодії. Такий шар, який не є в повному розумінні полімерним, набуває фізичних властивостей, близьких до властивостей полімерної сірки. Перевірка цього припущення термічним і рентгенографічним методами аналізу послужила основою для поширення модельного уявлення про полімерний міжфазовий шар на сірчані мастики і бетони, наповнені шпаруватими матеріалами. Цей перенос не відрізняється великою суворістю, оскільки у нас відсутні дані про товщину міжфазового шару сірки. Очевидно, судячи із дослідів з силікагелем, його товщина не перевищує 20-30нм однак і за таких розмірів він суттєво впливає на механічні властивості сірки у мікрошпарах наповнювача і заповнювача.

Сповільнення кристалізації полімерної сірки є одним із завдань технології виготовлення полімерсірчаних мастик і бетонів. Встановлено, що модифікація сірки дициклопентадієном призводить до значного підвищення міцності на розтяг: мастики в 1,7-2,3, бетону в 3,6-3,8 рази. Це пояснюється посиленням адгезійних зв'язків у контактній зоні і її зміцненням в наслідок утворення стабільної полімерної модифікації сірки.

Зниження відношення міцності на стиск до міцності на розтяг, яке, на думку проф. І.М. Грушко, є показником дефектності структури зразків бетону з модифікованою сіркою порівняно з не модифікованою зростає в 2,8-2,9 рази, що свідчить про щільнішу структуру і підвищення її однорідності. Коефіцієнт однорідності бетону за межею міцності, розрахований статистичними методами за показниками мінливості міцності для, випадку нормального розподілу, рекомендується приймати таким, що дорівнює 0,7. Коефіцієнт призмової міцності становить в середньому 0,76, що вкладається в уявлення про кореляційні залежності для високоміцних цементних бетонів при коефіцієнті кореляції 0,956.

Параметричні рівні мікротріщиноутворення (нижній і верхній) для сірчаного бетону на модифікованій сірці вищі, ніж для складу на не модифікованій в середньому в 1,2 рази. Рекомендується параметричні рівні залежно від призмової міцності розраховувати за формулами:

- нижній:

(1)

- верхній:

(2)

Модифікування сірки, використання вапнякових наповнювача і заповнювача призводить до зниження модуля пружності в 1,1-1,2 рази, збільшення частки пружно-пластичних деформацій стискування і розтягнення бетону в середньому в 1,10 і 1,35 рази, відповідно.

Якщо в мастику вводять вапнякові наповнювачі і модифіковану сірку, в'язкість руйнування бетону (коефіцієнт інтенсивності напружень КІС) збільшується, що свідчить про зниження його крихкості. Значення КІС бетону в середньому був вищим в 1,7 рази, ніж мастики. Простежується зниження крихкості бетону в 1,2 рази при заміні кварцового піску і гранітного щебеню карбонатними заповнювачами.

Механізми руйнування сірчаного і цементного бетонів мають принципову різницю. У цементному бетоні навіть нормально сформований контактний шар має в 5-7 рази меншу міцність на розтяг, ніж міцність цементного каменю. Контактний шар припиняє поширення тріщини в бетоні і подальший її розвиток можливий лише тоді, коли виникнуть достатньо високі напруження для повторного її зародження. Як наслідок, якщо такий процес гальмування повторюється часто, поглинається велика кількість енергії.

У сірчаному бетоні контактний шар, внаслідок специфічних фізико-механічних характеристик сірки, яка кристалізується в умовах геометричного обмеження, має міцність на розтяг, вищу, ніж решта обсягу мастичної складової бетону і він не зупиняє рух тріщини. Тріщина продовжує розвиток в контактному шарі або, обходячи його, просувається в ослаблену зону. Якщо такої зони вона не знаходить, то, пройшовши контактний шар, виходить до поверхні наповнювача. Якщо заповнювач шпаруватий має ліофільний характер і його міцність нижча від міцності контактної зони (вапняк), просування тріщини гальмується, якщо міцність контактної зони вища і заповнювач щільний, ліофобний (гранітний щебінь), тріщина обходить його і просувається по межі розділу фаз.

Модифікування сірки призводить до розвитку пластичних деформацій і зниження крихкості бетону. Отже, під час руйнування проявляються декілька механізмів і воно має комбінований характер, що дає змогу характеризувати руйнування бетону як псевдопластичне. Перевагою такого руйнування матеріалу перед крихким є можливість забезпечення безвідмовності його роботи в конструкції, а як наслідок, гарантія від катастрофічного непередбаченого крихкого руйнування.

У четвертому розділі наведені результати і висновки з досліджень теплофізичних характеристик і стійкості розроблених складів мастик і бетонів до різних агресивних дій.

Визначені основні теплофізичні характеристики: коефіцієнт теплопровідності сірчаного бетону, показник і коефіцієнт теплозасвоювання, теплоінерційні властивості. Встановлено, що заміна у складі бетону силікатних матеріалів карбонатними знижує коефіцієнт теплопровідності в 1,4 рази. Коефіцієнт теплопровідності сірчаного бетону на традиційних силікатних матеріалах нижчий, ніж цементного бетону. Відсутність в сірчаних мастиках і бетонах капілярно-шпаруватої структури, процесів гідратації і усадки бетону, вільної та хімічно зв'язаної води, з одного боку, і підвищення термочутливості сірки, з іншого є визначальними чинниками теплового розширення. На значення температурних деформацій значно впливає вміст сірки, її модифікований стан, вид наповнювачів і заповнювачів, їх вміст в матеріалі. Зниження коефіцієнта температурного розширення при використанні вапнякового наповнювача і меленої руди в середньому становило: для мастики - 15, бетону - 8 % порівняно з аналогічними складами на силікатних матеріалах. Оцінка термічної стійкості сірчаної мастики і бетону на карбонатних матеріалах з позицій міцності, деформативності і теплофізичних характеристик показала, що ці матеріали за термічною стійкістю вищі, ніж мастики і бетони на силікатних компонентах і в 1,2-1,7 рази нижчі, ніж бетон на портландцементі.

На витривалість сірчаного бетону до дії багаторазово-повторних навантажень найбільше впливає мікроструктура мастики, модифікований стан сірки, властивості контактного шару сірчаної плівки і поверхні зерен мінеральних наповнювачів. Менший вплив має макроструктура бетону. Витривалість бетону максимальна при оптимальному вмісті мастики. Найвитривалішим виявився бетон, приготований на карбонатних матеріалах і модифікованій сірці. Заміна кварцових компонентів на вапнякові привела до підвищення відносної межі витривалості в середньому в 1,26 рази. Коефіцієнт витривалості модифікованого сірчаного бетону на 24-30% вищий від не модифікованого.

Заміна силікатних матеріалів на карбонатні збільшує здатність до стирання бетону в середньому в 1,7 рази. Модифікування сірки знижує здатність до стирання бетону: на карбонатних матеріалах в 2,6, на силікатних - в 2,2 рази. Порівняно з цементним бетоном здатність до стирання сірчаного в 1,2-1,95 рази вища і залежить від виду заповнювачів. Сірчаний бетон на основі модифікованої сірки має здатність до стирання в 1,3-1,9 рази нижчу від цементного.

Аналіз результатів випробувань показує, що бетон на не модифікованій сірці, як на силікатних, так і на карбонатних матеріалах, має порівняно низьку міцність на удар. Це є наслідком крихкого стану, викликаного кристалізацією сірки і високими залишковими температурними напруженнями. Модифікування сірки сприяє частковому переходу кристалічної сірки в аморфний стан. Внаслідок цього починають проявлятися пружно-пластичні властивості бетону, знижуються залишкові температурні напруження і деформації, що приводить до зниження модуля пружності. Модифікований бетон більшою мірою здатний поглинати енергію ударних навантажень і, як наслідок, відрізняється підвищеною ударною міцністю. Підвищення становить в середньому 1,15 рази для бетону на карбонатних матеріалах. Введення в склад бетону заповнювачів з нижчим модулем пружності, ніж у кварцу і граніту, також сприяють підвищенню ударної міцності. Заміна технічної сірки на мелену руду ударну міцність зразків не знизила.

У п'ятому розділі наведені рекомендації з технології виробництва сірчаних мастик і бетонів і використання їх для виготовленні будівельних виробів.

Особливістю технології виробництва сірчаних мастик і бетонів з застосуванням меленої руди є вилучення з технологічного процесу трудомістких переділів і подальшого виплавляння сірки із концентрату в автоклаві. Всі підприємства, які працюють на природній сировині Прикарпатських родовищ, забезпечені дробильно-помельними цехами з необхідним обладнанням, тому є реальна промислова база для організації виробництва сировини і виготовлення сірчаних бетонів і виробів.

Підприємства хімічного машинобудування України: завод “Червоний Жовтень” (Фастів, Київська обл.), Полтавський завод “Хіммаш”, заводи будмашин в Черкасах, Слов'янську, НВО в Бердичеві і Львові (“Світанок”) мають виробничі бази для виготовлення технологічного обладнання.

Для отримання виробів підвищеної корозійної стійкості і довговічності сірку необхідно модифікувати хімічними речовинами, здатними утворювати полімерні тримірні (зшиті) структури, які через свою будову кристалізуються надто повільно. Україна має сировинну базу і підприємства хімічної промисловості, які виробляють необхідні для модифікування сірки речовини, наприклад Баглеївський коксохімічний завод, Запорізький завод “Кремнійполімер”, Горлівське ВО “Стирол”.

На основі досвіду виготовлення промислових партій виробів і результатів аналізу складу газового середовища виробничого приміщення встановлено, що під час приготування бетонної суміші можуть утворюватися Н2S і SO2. Концентрація цих речовин залежить від місткості змішувача, температури суміші, кількості органічних домішок, які містяться в сірці і сірчаній руді. Встановлено, що вапняк, який входить до складу руди, відіграє роль активного сорбенту, що значно знижує концентрацію Н2S і SO2. Рівень їх концентрації при виробництві бетону на основі меленої руди значно нижчий від гранично допустимих, які встановлені нормами для робочої зони виробничих приміщень. Однак, при проектуванні виробництва завжди необхідно передбачати систему припливно-витяжної вентиляції і заходів з техніки безпеки, які обов'язкові при виробництві полімер і асфальтобетонів.

Результати досліджень і дослідно-промислового впровадження дали змогу визначити основні галузі і напрямки застосування розроблених матеріалів. Сірчані мастики можуть бути використані для ремонту дорожнього покриття, настилу мостів і шляхопроводів. У загальнобудівельній практиці бетон може застосовуватись як конструкційний матеріал, зокрема дисперсно-армованого звичайним скловолокном для виготовлення плит різного призначення, наприклад декоративних і корозійностійких для улаштування підлог промислових, сільськогосподарських будівель і приміщень, підлог для цехів хімічної і харчової промисловості, для виготовлення елементів мостів, шляхопроводів. Враховуючи високі діелектричні характеристики, сірчаний бетон може бути рекомендований для виготовлення елементів і конструкцій енергетичного і транспортного будівництва.

Висновки

1. Встановлена принципова можливість отримання сірчаних мастик і бетонів на основі меленої збагаченої вапнякової руди Прикарпатських родовищ з показниками властивостей, порівнюваних з властивостями сірчаних бетонів на основі технічної сірки.

2. Вивчені структурні особливості, залежності міцнісних і деформативних характеристик мастики і бетону від виду і вмісту наповнювача, заповнювачів, кількості і модифікованого стану сірки.

Визначені основні фізико-технічні та теплофізичні характеристики сірчаного бетону, необхідні для розрахунку конструкцій.

3. Вивчені процеси мікротріщиноутворення і в'язкості руйнування з позицій механіки твердих тіл при статичному короткочасному навантаженні. Встановлено, що мікротріщиноутворення в сірчаному бетоні відрізняється від аналогічного процесу в цементному бетоні. Це зв'язано з різницею структур сірчаної мастики і цементного каменю, характеристик контактної зони, характером і значеннями власних напружень в матеріалі.

4. Показано, що відсутність в сірчаних мастиках і бетонах капілярно-шпаруватої структури, процесів зсідання, вільної та хімічно зв'язаної води, з одного боку, та підвищення термочутливості сірки, з іншого є визначальними чинниками теплового розширення. На величину температурних деформацій визначальний вплив має вміст сірки, її модифікований стан, вид наповнювача і заповнювачів і їх кількість в матеріалі.

5. Встановлено, що на витривалість сірчаного бетону при дії багаторазово-повторних навантажень найбільше впливає мікроструктура мастики, модифікований стан сірки, властивості контактного шару сірчаної плівки і поверхні мінеральних наповнювачів. Дослідження дають змогу обґрунтованіше вибирати коефіцієнт міцності втоми для призначення розрахункового опору бетону при розрахунку конструкцій на витривалість.

6. Розроблені рекомендації з технології виготовлення сірчаних мастик і бетонів на основі меленої вапнякової руди з врахуванням токсикологічної безпеки їх виробництва. Показана потенційна техніко-економічна ефективність розроблених складів, яка полягає в заміні технічної сірки меленою сірчаною рудою, вартість якої значно нижча від вартості меленої сірки, яку отримують способом підземного виплавляння, а також у використанні відходів хімічних виробництв України. Результати досліджень впроваджені при розробленні технологічного регламенту, проектуванні і будівництві дослідно-промислової лінії виробництва будівельних виробів на основі меленої вапнякової руди.

Основний зміст дисертаційної роботи викладено у таких публікаціях

1. Орловский Ю.И., Записоцкий П.В. Оптимизация рецептуры и свойств серных мастик / Материалы международного семинара 16-18 ноября 1994 г.: Структурообразование, прочность и разрушение композиционных материалов и конструкций. - Одесса: Гортипография Одесского управления по печати, 1994.- С 43-44.

2. Орловский Ю.И., Семченков А.С., Записоцкий П.В., Ращинский В.Н. Термические свойства и совместимость серных бетонов с арматурой //Бетон и железобетон. - 1995. - №6. - С.6-9.

3. Записоцкий П.В., Маргаль И.В., Орловский Ю.И. Моделирование трещиностойкости серного бетона методами механики разрушения / Материалы докладов международного семинара 22-23 мая 1995 г.: Моделирование в материаловедении. - Одесса: Гортипография Одесского управления по печати, 1995. - С 16-17.

4. Запісоцький П.В., Маргаль І.В. Теоретичні передумови структуроутворення скловолокнистих полімерсірчаних бетонів //Вісник Державного університету “Львівська політехніка”: Теорія і практика будівництва. - № 300. - Львів: ДУЛП, 1996. - С.96-99.

5. Записоцкий П.В., Каменнов В.А., Маргаль И.В. Связующее на основе известняковых серных руд и менилитовых сланцев Карпат / Материалы к ХХХV международному семинару по проблемам моделирования и оптимизации композитов, 25-26 апреля 1996 г. - Одесса: НПФ “Астропринт”, 1996. - С. 98-99.

6. Орловский Ю.И., Маргаль И.В., Брайченко С.П., Записоцкий П.В. Исследование взаимодействия серы с поверхностью минеральных наполнителей / Материалы к ХХХVI международному семинару по проблемам моделирования и оптимизации композитов, 17-18 апреля 1997 г. - Одесса: “Система - сервис”, 1997.

7. Орловский Ю.И., Семченков А.С., Записоцкий П.В. Мастика и бетон на основе серосодержащей известняковой руды //Научно-технический альманах: Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. -№ 1. -М.: Информационно-издательский центр “ТИМР”, -1997. - С.47-50.

8. Zapisocky P. Properties and Technology of Sulphur Concrete on the of Sulphur Mineral / The sixth International Scientific Conference, May 6-8, 1997, Kosice, Slovak Republic.

9. Орловский Ю.И., Семченков А.С., Записоцкий П.В., Маргаль И.В. Усталостная прочность серных бетонов //Бетон и железобетон. -1998.- № 2.-С.6-9.

10. Методические рекомендации по технологии изготовления и применению серных мастик и бетонов на основе молотых известняковых серных руд и менилитовых сланцев Прикарпатских месторождений. - Львов: Львовский филиал образовательной компании “НОЗ”, 1998. - 18 с.

11. Запісоцький П.В. Мастика і бетон на основі вапнякових сірчаних руд Прикарпаття //Вісник Державного університету “Львівська політехніка”: Теорія і практика будівництва. - № 360. -Львів. -І998. - С.64-70.

12. Запісоцкий П.В. Исследование свойств и разработка технологии изготовления мастик и бетонов на основе серных руд Прикарпатских месторождений //Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры. - Вып. №2(16). - Макеевка. -І999. - С.81-84.

13. Записоцкий П.В., Особенности деформирования серных и цементных бетонов / Материалы XXXVIII международного семинара по проблемам моделирования и оптимизации композитов, 21-22 апреля 1999 г. - Одесса: НПФ “Астропринт”, 1999. - С. 98.

Особиста участь здобувача в цих роботах: Всі основні результати роботи отримані автором самостійно. У публікаціях автором виконано: обґрунтовані і написані розділи рекомендацій з технології виготовлення і використання сірчаних мастик і бетонів на основі руди [10]; виконано підбір складів, виготовлення зразків, експериментальне вивчення показників [1,3,4,5,6,7]; зроблений теоретично-експериментальний аналіз структуроутворення дисперсно-армованих полімерсірчаних бетонів [2,9].

Анотація

Запісоцький П.В. Мастика і бетон на основі вапнякових сірчаних руд Прикарпаття.

Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - “Будівельні матеріали та вироби” - Донбаська державна академія будівництва і архітектури, Макіївка, 1999.

Дисертація містить експериментально-теоретичні дослідження структури і властивостей сірчаних мастик і бетонів на основі меленої вапнякової сірчаної руди Прикарпаття і місцевих будівельних матеріалів. Встановлені основні фізико-технічні характеристики розроблених складів. Вивчені питання тріщиностійкості, зносостійкості, температуростійкості бетонів, токсичності виробництва.

Встановлено, що на витривалість сірчаного бетону до дії багаторазову-повторних навантажень найбільше впливає мікроструктура, модифікований стан сірки, властивості контактного шару сірчаної плівки і поверхні наповнювача.

Розроблені рекомендації з технології і здійснено дослідно-промислове впровадження мастик та бетонів на основі сірчаних вапнякових руд Прикарпаття.

Результати досліджень використані для розроблення технологічного регламенту, проектування і будівництва дослідно-промислової лінії з виробництва будівельних виробів на основі меленої вапнякової сірчаної руди.

Ключові слова: сірчана руда, сірка, сірчана мастика, бетон, властивості, технологія.

Аннотация

Записоцкий П.В. Мастика и бетон на основе известняковых серных руд Прикарпатья. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - Строительные материалы и изделия. - Донбасская государственная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 1999.

Диссертация посвящена экспериментально-теоретическому обоснованию получения серных мастик и бетонов на основе молотых серосодержащих известняковых руд Прикарпатских месторождений Украины. Концентрат серной руды представляет собой измельченный материал, содержащий более 25% элементарной природной серы, которая при плавлении концентрата способна создавать связи кристаллизационного типа, т.е. выступать в роли термопластического связующего, а остальная минеральная связь, состоящая преимущественно из известняка, является природным минеральным наполнителем. Использование концентрата серной руды позволяет получить новый вид серного бетона, который по своим характеристикам не уступает традиционному на основе технической серы и минеральных заполнителях.

С использованием комплексных исследований изучены структурные особенности разработанных составов серных мастик и бетонов, определены основные физико-механические и тепло-физические характеристики. Получены зависимости прочностных и деформативных характеристик от вида и содержания наполнителя, заполнителей, количества и модифицированного состояния серы. Методом ультразвуковой дефектоскопии и тензометрии изучены процессы трещинообразования и вязкости разрушения ( коэффициент интенсивности напряжений) с позиций механики разрушения твердых тел при статическом кратковременном нагружении. Установлено, что процесс микротрещинообразования в серном бетоне отличается от аналогичного в цементном, что обусловлено различием структур, характеристик контактной зоны, характером и величиной собственных напряжений в материале. Показано, что отсутствие в серных мастиках и бетонах капиллярно-пористой структуры, процессов влажностной усадки, свободной и химически связанной воды, с одной стороны, и повышенная термочувствительность серы, с другой, являются определяющими факторами температурных деформаций и напряжений, величина которых зависит от содержания серы, ее модифицированного состояния, вида и содержания минеральных компонентов в объеме материала.

Установлено, что на выносливость серного бетона при действии многократно-повторных нагрузок наибольшее влияние оказывает микроструктура, модифицированное состояние серы, свойства контактного слоя серной пленки и поверхности наполнителя.

Разработаны рекомендации по технологии изготовления мастик и бетонов на основе известняковых серных руд Прикарпатия с учетом токсикологической безопасности их производства и показана технико-экономическая эффективность разработанных материалов. Результаты исследований использованы при разработке технологического регламента при проектировании и строительстве опытно-промышленной линии по производству строительных изделий на основе молотой известняковой серной руды.

Ключевые слова: серная руда, сера, серная мастика, бетон, свойства, технология.

SUMMARY

Zapisockiy P.V. Mastic and concrete on the base of lime sulphur minerals of Prikarpatia. - Manuscript.

The material of dissertation is aimed at obtaining a scientific degree of a candidate of engineering sciences, code of speciality 05.23.05 - Building Materials and Products. Donbass State Academy of Construction and Arhitecture, Makeyevka, 1999.

The dissertation contain the results of experimental and theoretical investigations of structure and properties of sulphur mastic and concretes on the base of sulphur containing minerals of Prikarpatia and siting building materials. The main physical - mechanical characteristics of developing compositions are determining. The questions of cracking - resistance, abrasive - resistance, temperature - resistance and production toxicological safety have been studied.

Designed recommendations on technologies and industrial introduction of the suggested compositions has been carried out.

The investigations results have been used for elaboration of the technological regulations and for projecting and building of the experimental - industrial line for construction articles production on the base of lime sulphur mineral.

Kay words: sulphur, sulphur mineral, sulphur mastic, concrete, properties, technology.

Размещено на Allbest.ru

...