Фосфогіпсозолоцементні в’яжучі та вироби на їх основі

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 691. 54:666.944.21

АВТОРЕФЕРАТ

Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ФОСФОГІПСОЗОЛОЦЕМЕНТНІ В'ЯЖУЧІ ТА ВИРОБИ НА ЇХ ОСНОВІ

05.23.05 -- Будівельні матеріали та вироби

НОМАН МОХАМЕД АХМЕД АМЕР

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник -- доктор технічних наук, професор Сердюк Василь Романович, Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри менеджменту організацій.

Офіційні опоненти -- доктор технічних наук, професор Філатов Лев Григорович, Сумський державний аграрний університет, професор кафедри архітектури і інженерних вишукувань

-- кандидат технічних наук, доцент Гасан Юрій Гусейнович Київський національний університет будівництва і архітектури,доцент кафедри будівельних матеріалів.

Провідна установа -- Державний університет “Львівська політехніка”, кафедра хімічної технології силікатів, Міністерство освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться “25” червня 2001 р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 “Підвалини та фундаменти. Будівельні матеріали та вироби” Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий “24 ” травня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к. т. н. Бродко О. А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Економія палива і електроенергії, використання побічних продуктів промисловості, зниження рівня забруднення навколишнього середовища, зменшення витрат природної сировини, -- є найважливішою задачею, що стоїть перед промисловістю будівельних матеріалів. Одним із перспективних напрямків розв'язання стратегічних задач будівельного комплексу є використання багатотонажних відходів - фосфогіпсів, золи-винесення в технології виробництва малоклiнкерних в'яжучих і будівельних матеріалів на їх основі.

Кислоти, що містяться у фосфогіпсах, можуть бути використані для хімічної активації золивинесення.

Підвищення гідравлічної активності зольної складової малоцементних композиційних матеріалів забезпечить економію мінерального в'яжучого з одночасною утилізацією відходів промисловості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Виконана робота є одним із етапів досліджень Вінницького державного технічного університету за темою № 69-ДП-194 “Розробка технології виготовлення ніздрюватих стiнових матеріалів і заливальної теплоізоляції на основі фосфогіпсiв”.

У 1998 - 1999 р.р. за наведеною темою здобувач виконував обов'язки співвиконавця. Проведені дослідження відповідають пріоритетному напрямку розвитку науки і техніки по програмі “Ресурсозбереження”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка малоклінкерних фосфогіпсозолоцементних в'яжучих та виробів на їх основі.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- дослідити вплив кислих водяних розчинів на ефективність хімічної активації зольної складової малоклiнкерних в'яжучих;

- дослідити вплив умов активації і складу в'яжучого на його фізико-механічні властивості;

- розробити і оптимізувати склади малоклінкерного фосфогіпсозолоцементного в'яжучого з поліфункціональною активною мінеральною добавкою;

- дослідити фізико-механічні і спеціальні властивості розроблених в'яжучих та виробів на їх основі;

- провести санітарно-гігієнічні дослідження сировинних матеріалів;

- провести практичне випробування розроблених складів фосфогіпсозолоцементних в'яжучих з поліфункціональними активними мінеральними добавками та матеріалів на їх основі і оцінити їхню техніко-економічну ефективність.

Об'єкт дослідження --малоклінкерне фосфогіпсозолоцементне в'яжуче.

Предмет дослідження -- процеси формування штучного фосфогіпсозолоцементного каменю за рахунок підвищення гідравлічної активності золи-винесення кислотними добавками, які містяться в фосфогіпсах та використання природних поліфункціональних добавок.

Методи дослідження -- експериментальні дослідження виконано із застосуванням сучасних методів фізико-хімічного аналізу: рентгенофазового, диференційно-термічного. Мікроструктуру зразків вивчали за допомогою знімків електронної мікроскопії. Також використано стандартні методики визначення міцносних характеристик штучного каменю. Оптимізацію складів фосфогіпсозолоцементних в'яжучих виконували за допомогою сучасних методів математичного планування експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів:

- теоретично обґрунтовано і експериментально доведено можливість хімічної активації золи-винесення водяними розчинами, що містять кислоти;

- досліджено процеси хімічної активації золи-винесення у складі цементних і фосфогіпсозолоцементних композицій;

- з використанням методів математичного планування експерименту побудовані математичні моделі для основних технологічних і експлуатаційних властивостей матеріалу. Проведено кількісну оцінку впливу основних чинників складу на його властивості;- визначено властивості розроблених фосфогіпсозолоцементних в'яжучих з активною мінеральною добавкою;

- розроблені раціональні технологічні параметри виробництва фосфогіпсозолоцементних в'яжучих і приведено обґрунтування техніко-економічної ефективності їхнього виробництва.

Практичне значення одержаних результатів:

- запропоновано склади та вивчено властивості фосфогіпсозолоцементних в'яжучих та матеріалів на їх основі.

- розроблено основи технології роздільного поетапного виробництва таких в'яжучих.

Фосфогіпсозолоцементні в'яжучі впроваджені на Виробничому підприємстві "Вінницький завод залізобетонних конструкцій". Розроблено і виготовлено нестандартне обладнання - трисекційний прохідний змішувач, а з використанням розробленої технології виробництва в'яжучого і виробів на його основі в промислових умовах виготовлено 30 тис. штук дрібнорозмірних стінових блоків. За рахунок використання нового матеріалу собівартість виробів знизилась на 18 %, а ефект від впровадження розроблених в'яжучих складає 30 грн на 1 м³ сировинної суміші.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. З опублікованих в співавторстві наукових роботах особистий внесок автора дисертації становить:

1. Сердюк В.Р., Борецький О.Й, Амер Номан. Хімічна активація золи-винесення для цементно-зольних композицій//Вісник Вінницького політехнічного інституту. -- Вінниця: ВДТУ, 1997. -- № 1. -- С. 23--29.

Проведено дослідження хімічної активації золивинесення водними розчинами кислот.

2. Сердюк В.Р., Борецький О.Й., Амер Номан. Пріоритетні напрямки утилізації фосфогіпсових відходів//Вісник Вінницького політехнічного інституту. -- Вінниця: УНІВЕРСУМ, 1998. -- № 2. -- С. 37--41.

Систематизовано основні напрямки використання фосфогіпсів.

3. Сердюк В.Р., Амер Номан. Теоретичні передумови підвищення водостійкості фосфогіпсозольних в'яжучих//Вісник Вінницького політехнічного інституту. -- Вінниця: УНІВЕРСУМ, 1998. -- № 3. С. 20--23.

Розкрито теоретичні передумови зростання водостійкості композиційних фосфогіпсозольних в'яжучих за рахунок використання природних активних мінеральних поліфункціональних добавок.

4. Сердюк В.Р., Амер Номан. Активація компонентів цементнофосфогіпсозольних композицій//Вісник Вінницького політехнічного інституту. -- Вінниця: УНІВЕРСУМ, 1999. -- № 5. С 42--46.

Досліджено дію неорганічних кислот на активацію зольної складової композиційних матеріалів.

5. Сердюк В.Р., Амер Номан. Малоэнергоемкие водостойкие вяжущие с использованием фосфогипсов.//Сб. трудов междунар. научн.-техн. конф. “Ресурсосбережение и экология промышленного региона”.- Том 1. - Макеевка: ДонГАСА.- 1995.-- С. 124.

Розроблено склад водостійкого в'яжучого з використанням фосфогіпсозольного в'яжучого.

6. Сердюк В.Р., Борецкий О.И., Амер Номан. Влияние способа нейтрализации кислот фосфогипса при производстве низкомарочных вяжущих//Тез. докл. 35 междунар. семинара “Моделирование и вычислительный эксперимент в материаловедении”, МОК' 35. -. Одесса: Астропринт. - 1996. -- С. 106.

Досліджено різні способи нейтралізації кислот під час виробництва фосфогіпсових вяжучих.

7. Сердюк В.Р., Борецкий О.И., Амер Номан. Безобжиговое низкомарочное вяжущее с использованием фосфогипса//Тези доп. І Всеукраїнської наук. техн. конф. "Прогресивні технології та машини для виробництва будматеріалів, виробів та конструкцій" - Полтава: ПТУ.- 1996.-- С. 171--173.

Визначено переваги безвипалювальної технології використання фосфогіпсів.

8. Борецький О.И., Амер Номан. Підвищення фізико-механічних властивостей в'яжучого на основі фосфогіпсу//Тези доп. наук.-техн. конф. “Індивідуальний житловий будинок”- Вінниця: ВДТУ.- 1996. -- С. 62.

Розкрито механізм підвищення фізико-механічних властивостей в'яжучих, що містять фосфогіпс.

9. Сердюк В.Р., Амер Номан. Энергосберегающая технология переработки фосфогипса// Материалы междунар. семинара “Структурообразование, прочность и разрушение композиционных строительных материалов и конструкций”- Одесса: ГОУП.- 1996. -- С. 78.

Розкрито фактори енергозбереження при використанні запропонованих технологій переробки фосфогіпсу.

10. Сердюк В.Р., Амер Номан. Исследование и разработка технологий производства низкомарочных вяжущих с использованием фосфогипса. //Тез. докл. 38 междунар. семинара “Оптимизация в материаловедении”, МОК' 38.- Одесса: Астропринт. 1999. -- С. 100.

Розроблено технологію виробництва фосфогіпсозолоцементних в'яжучих.

11. Амер Номан , Боднар П.С. Моделирование и оптимизация малоклинкерных фосфогипсозольных вяжущих //Тез. докл. 39 междунар. семинара “Рациональный эксперимент в материаловедении”, МОК' 39.- Одесса: Астропринт. 2000.-- С. 82.

Проведено оптимізацію складів малоклінкерних фосфогіпсозолоцементних в'яжучих.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідались на науково-технічних конференціях “Ресурсосбережение и экология промышленного региона” (м. Макіївка, 1995), "Прогресивні технології та машини для виробництва будматеріалів, виробів та конструкцій" (м. Полтава, 1996), “Індивідуальний житловий будинок” (м. Вінниця, 1996); і на міжнародних наукових семінарах “Структурообразование, прочность и разрушение композиционных строительных материалов и конструкций” (Одесса, 1996), та МОК' 35, 38 і 39 з проблем моделювання та оптимізації композитів (Одеса, 1996, 1999, 2000)

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 друкованих робіт, з них 4 публікації у наукових фахових виданнях.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 117 сторінках основної частини і складається із вступу, п'яти розділів, висновків і містить 18 таблиць та 34 рисунки. Повний обсяг дисертації становить 138 сторінки і включає: перелік використаних джерел із 137 найменувань та три додатки.

ЗМIСТ РОБОТИ

зольний малоклiнкерний в'яжучий камінь

У вступі показана актуальність та доцільність роботи, сформульована мета й основні задачі досліджень, викладена наукова новизна, практична цінність основних задач, які розв'язані в роботі.

У першому розділі наведено аналітичний огляд стану проблеми та визначені теоретичні передумови досліджень.

Узагальнення наявних тенденцій по використанню в складі малоклінкерних в'яжучих відходів виробництва з метою зменшення матеріало- і енергоємності, а також вирішення екологічних проблем свідчить про перспективність застосування золи-винесення, фосфогіпсів та природних активних мінеральних добавок в технології будівельних матеріалів. Особливості багатотонажних відходів виробництва відкривають широкі можливості хімічного синтезу ефективних композиційних в'яжучих та матеріалів, що отримані на їх основі.

Аналіз теоретичних основ синтезу низькооснових гідросилікатів кальцію та інших новоутворень з використанням штучних та природних мінеральних добавок свідчить про невикористані резерви гідравлічної активності золи-винесення, які можуть бути реалізовані за рахунок її хімічної активації.

Підвищення ефективності дії золи-винесення як активної мінеральної добавки шляхом її помелу є досить витратним, тому застосування побічних продуктів промисловості, які містять неорганічні кислоти, забезпечує не тільки зменшення вартості технологічного процесу хімічної активації золи-винесення але і утилізує кислі відходи промисловості. Найприйнятнішим побічним продуктом хімічної промисловості, який доцільно використовувати як хімічний активатор в процесі виготовлення в'яжучих, що містять золу, є фосфогіпси, в складі яких утримується до 5--7 % кислот. При руйнації склоподібної оболонки на поверхні золи-винесення будуть утворюватись сульфати алюмінію, заліза, суттєво зросте її реактивна спроможність. В певній мірі за наявності в складі композиційного матеріалу клінкерного в'яжучого хімічно активована зола буде працювати як алюмосилікатний компонент.

Базуючись на критичному аналізі літературних джерел, висунута наукова гіпотеза про те, що можлива інтенсифікація технологічного процесу виробництва фосфогіпсозольних будівельних матеріалів за рахунок роздільної технології їх виробництва, хімічної активації зольної складової та використання фосфогіпсів природної вологості. На першому етапі проводиться хімічна активація золи-винесення кислотами, які містяться в складі фосфогіпсів, на другому -- до складу суміші вводиться добавка мергелю, що містить у своєму складі активну форму кремнезему та карбонатну складову, яка нейтралізує можливі залишки кислот, а на заключному технологічному етапі до складу суміші вводиться добавка цементу.

Для підтвердження висунутої гіпотези були визначені основні напрямки і сформульовані задачі досліджень.

В другому розділі наведено характеристику сировинних матеріалів та визначено методи дослідження. У роботі використовували такі сировинні матеріали: фосфогіпс (дигідрат) Вінницького хімпромкомбінату; зола-винесення Ладижинської ДРЕС; портландцемент марки М400 Кам'янець-Подільського цементного заводу, як активна мінеральна добавка мергель Могилів-Подільського родовища з високим вмістом кремнезему (75 - 96.5 %) і до 10 % карбонату кальцію. Зола-винесення Ладижинської ДРЕС відноситься до кислих низько кальцієвих зол, основна маса яких представлена склоподібними сферичними частками. Особливо слід зазначити незначний вміст в складі золи-винесення залишків паливних матеріалів, які не згоріли.

Як заповнювачі щільних матеріалів на основі фосфогіпсозолоцементного в'яжучого використовувались кварцові піски. Для отримання полегшених будівельних матеріалів використовували тирсу змішаних порід деревини, а для отримання ніздрюватого бетону, як газоутворювач використовували алюмінієву пудру ПАП-1.

Фосфогіпс використовували в природному стані з вологістю 3045 %. Помел сировинних матеріалів (поліфункціональної добавки - мергелю) здійснювали в кульовому млині з робочою камерою 20 літрів і числом обертів -- 52 об/хв. Для порівняння технології виробництва і властивостей матеріалів помел сировинних компонентів сумішей здійснювався роздільно і спільно. Дисперсність компонентів в'яжучого визначали, використовуючи метод повітропроникності (ПСХ-4) і ситовим способом. Основні характеристики цементу визначали стандартними методами відповідно до вимог нормативних документів.

Мінерально-фазовий склад сировинних компонентів, в'яжучого і новоутворень визначали методом диференційно-термічного (ДТА) і рентгенофазового аналізів (РФА). РФА проводили на дифрактометрі ДРОН-3М. За допомогою електронної мікроскопії досліджували мікроструктуру фосфогіпсозолоцементного в'яжучого і виробів, отриманих на його основі.

З використанням сучасних математичних методів планування експериментів за програмами “СОМРЕХ-93”, адаптованими до технологічних задач будівельного матеріалознавства, проводили оптимізацію складу сумішей фосфогіпсозолоцементного в'яжучого і виробів на його основі, для отримання ефективного стінового матеріалу з використанням виробничих відходів промисловості і енергетичної галузі.

У третьому розділі наведено результати досліджень хімічної активації зольної складової в'яжучого кислотами, що містяться в складі фосфогіпсів. З метою підвищення гідравлічної активності і водостійкості фосфогіпсозолоцементного в'яжучого передбачається використання активної мінеральної добавки (мергелю), який виконує функцію поліфункціонального компонента. За наявності в його складі карбонатної складової, забезпечується глибша нейтралізація залишків кислот у складі в'яжучого, а кремнезем виконує функції активної мінеральної добавки.

У залежності від хімічного складу золи її можна розглядати як продукт з низькою гідравлічною активністю. Продукти взаємодії золи і кислот є інтенсифікаторами гідратації мінерального в'яжучого, а сама зола стає при цьому реакційно спроможнішою і втрачає свій пластифікуючий ефект.

Попереднє витримування суміші фосфогіпсу і золи при кімнатній температурі при співвідношенні 1:1 протягом 96 годин приводить до підвищення рівня рН її середовища з 2 до 6,3.

Кислоти, що містяться у складі фосфогіпсу, реагують і руйнують склоподібну плівку на поверхні частинок золи-винесення. При роздільній технології активації досягається подвійний позитивний ефект: на нейтралізацію кислот не витрачається мінеральне в'яжуче, проходить хімічна активація золи-винесення та створюються електроліти, які є інтенсифікаторами гідратаційного твердіння мінерального в'яжучого.

Дія золи-винесення, що пластифікує композиційні цементні матеріали обумовлена наявністю на її поверхні гладких склоподібних плівок. Такі плівки забезпечують частинкам золи властивості маленьких кульок, що, в свою чергу, покращує легкоукладальність композицій та пластифікує їх. Алюмосилікатне скло золи практично не розчиняється у воді. У випадку обробки золи кислотами її поверхня буде реакційно здатною, а її пластифікуючий ефект при цьому буде знижуватися. Проведені дослідження показали, що оброблення золи-винесення водяним розчином сірчаної кислоти впливає на пластичність водно-зольних суспензій.

Під час активації золи-винесення водним розчином сірчаної кислоти утворюються розчини солей Al₂(SO₄), Fe₂(SO₄)₃, (Ca,Mg) SO₄, (K₂,Na₂) (SO₄) та проходять потенційно можливі реакції:

SiO₂ + CaSO₄ + 2H₂O CaO * SiO₂ * H₂O + H₂SO₄

Al₂O₃ + 3H₂SO₄ + (13-15)H₂O Al₂(SO₄ )₃ * (16-18) H₂O

Fe₂O₃ + 3H₂SO₄ + 9H₂O Fe₂(SO₄)₃ * 12H₂O

CaO + MgO + 2H₂SO₄ + 7H₂O CaSO₄ * 2H₂O + MgSO₄ * 7H₂O

K₂O +Na₂O + 2H₂SO₄ K₂SO₄ + Na₂SO₄ +2H₂O

Продукти взаємодії золи і кислот є інтенсифікаторами гідратації мінерального в'яжучого, а сама зольна складова стає при цьому реакційно здатною. Електронно-мікроскопічними дослідженнями сколів зразків із звичайною і активованою золою встановлено, що перші характеризуються дещо неоднорідною структурою кристалічного та субмікрокристалічного стану. Виявлені замкнуті пори розміром 0.008 - 0.15 мм і мікротріщини, в місцях контакту золи і гідросилікатів в'яжучого спостерігається помітна границя розподілу фаз. Мікроструктура сколів зразків із активованою золою характеризується компактною, однорідною, крипто- і субмікрокристалічною будовою. Спостерігається збільшення вмісту гідратних новоутворень в зоні адгезії в'яжучого з поверхнею золи.

Диференціально-термічним методом досліджень проб зразків цементного каменю без добавки і з вмістом звичайної і активованої зольної складової встановлено, що для зразків з вмістом золи 10 мас % кількість гідрооксиду кальцію з активованою золою зменшується, спостерігається зниження ендотермічного ефекту в інтервалі 490 - 520 ⁰С. Для проб з активованою золою також спостерігається збільшення піків ендотермічних втрат води гідратних новоутворень. В порівнянні з контрольним зразком цементного каменю спостерігається зменшення втрат мас до 1.1 %. Дослідження проб з вмістом золи-винесення 40 мас % показують, що для цих зразків вільне вапно в більшій мірі зв'язується в гідросилікати кальцію, для проби з золою обробленою водно-кислотним розчином також зафіксовано збільшення ендоефекту дегідратації гідратованих новоутворень при 150 - 180 ⁰С.

Таким чином встановлено, що кількість гідрооксиду кальцію Са(ОН)₂ в цементному камені з активованою золою у порівнянні зі зразками з неактивованою золою за даними ДТА зменшується. Отже, Са(ОН)₂ у більшій кількості зв'язується в гідратні новоутворення, а сульфати алюмінію, заліза, натрію прискорюють гідратацію клінкерних мінералів в'яжучого. При цьому мінеральне в'яжуче виступає активатором гідратаційного твердіння хімічно активованої золи-винесення.

Як показують результати рентгенофазових досліджень, для проб зразків з вмістом 10 і 40 мас % активованої золи-винесення виявлено вміст комплексних новоутворень алюміній-, залізо- і гідросульфовміщуючих сполук кальцію. Наявність їх у складі матеріалу пояснюється тим, що при хімічній активації золи-винесення утворюються сульфати алюмінію і заліза. Також для проб з активованою золою спостерігається зменшення інтенсивності ліній залишків непрогідратованих клінкерних мінералів.

Проведені дослідження механічних властивостей цементних розчинів, в яких частину цементу (15 і 30 %) заміняли хімічно активованою золою, показали можливість економії витрат мінерального в'яжучого. Результати проведених досліджень показують, що попередня обробка золи водяним розчином сірчаної кислоти, протягом 12 годин, значно підвищує міцність матеріалу. Зразки з добавкою 15 % золи обробл

Межа міцності на стиск і згин цементних зразків із добавкою 30 % золи зростає з збільшенням концентрації кислоти, з якою проводили її хімічну активацію (рис. 3). Так, при концентрації водяного розчину кислоти 10 %, яким проводилась хімічна активація золи, приріст міцності на стиск і згин склав відповідно 30 і 50 %.

В процесі оптимізації технології активації золи було виготовлено три серії зразків однакового складу (а, б, в). Для зразків серії (а) фосфогіпс і золу витримували протягом 24 годин із перемішуванням, для зразків серії (б) суміш фосфогіпсу і золи витримували без перемішування протягом 48 годин, а для зразків серії (в) суміш витримували без перемішування протягом 72 годин. Після витримування фосфогіпсозольних сумішей у їхній склад вводили добавку 10 % мергелю. Після наступного етапу нейтралізації залишків кислот до їх складу вводили цемент із розрахунку 100154 кг на 1 м³ суміші. За інших рівних умов формували зразки, які витримували 1216 годин при 20С і піддавали пропарюванню при температурі 8085С за режимом (4+8+4) год. Результати випробувань приведені на рис. 4.

Як видно з результатів експериментальних досліджень важливу роль при хі-мічній активації золи виконує не тільки час витримування суміші, але і її чергове перемішування. Під час перемішування продукти взаємодії кислоти й оксидів, що є в складі золи, видаляються з поверхні частинок золи, поліпшуючи умови взаємодії золи з новими порціями кислоти. Цілком очевидно, що інтенсивність і періодичність перемішування, температура середовища, як і вміст кислоти у фосфогіпсах є основними факторами технологічних процесів хімічної і механохімічної активації золи-винесення.

Наявність позитивного ефекту в отриманні нового в'яжучого і матеріалів на його основі цілком очевидна. Використання кислих відходів хімічної промисловості для активації золи-винесення призводитиме до значного зменшення витрат, пов'язаних з вартістю кислоти і реалізацією технологічного процесу.

У четвертому розділі розглянута оптимізація складів фосфогіпсозолоцементних в`яжучих з активною мінеральною добавкою.

Розроблений матеріал передбачається використовувати як стіновий матеріал в малоповерховому будівництві. У зв'язку з цим він повинен відповідати таким базовим критеріям: міцність при стиску Rcт10 МПа; коефіцієнт розм'якшення Кр0,75; середня густина матеріалу 1400 1600 кг/м³.

Вибір рецептурного простору композиційного матеріалу виключав попереднє очищення фосфогіпсу від кислот і попереднє сушіння або випал. Технологічна схема виробництва композиційного матеріалу передбачала використання сировинних компонентів без попередньої обробки. Нейтралізація кислот у складі композиції поєднувалася з хімічною активацією золи, а зв'язування фтору у важкорозчинні сполуки проводили традиційним методом.

Використання методу математичного планування експерименту дозволяє одержати множину рецептурних складів, що забезпечують задані властивості матеріалу. Як незалежні змінні приймали вміст сировинних матеріалів в долях від кількості портландцементу: фосфогіпсу (Х₁ = 2.5 - 5); золи-винесення (Х₂ = 2 - 4); поліфункціональної активної мінеральної добавки - мергелю (Х₃ = 0 - 2). Встановлені межі варіювання вмісту сировинних компонентів (X₁, X₂, X₃) у складі сумішей були прийняті на підставі результатів попередніх експериментальних досліджень.

Під час проведенні досліджень були стабільними такі чинники: вміст цементу, рухливість суміші; час нейтралізації фосфогіпсу золою-винесення; час інтенсивного перемішування після нейтралізації добавкою мергелю і цементу; час витримування зразків перед пропарюванням, що складав 12--16 годин; режим пропарювання (4+8+4) годин при температурі ізотермічної обробки t = 85 5C. Під час проведення дослідів забезпечували стабільні реологічні властивості сумішей. Рухливість сумішей у всіх дослідах відповідала 7080 мм за циліндром Суттарда. При цьому В/т відношення змінювали в межах від 0,17 до 0,27. Для розв'язання поставленої задачі було вибрано стандартний план експерименту -- трифакторний на кубі 15 точковий, Д -- оптимальний симетричний. Реалізація плану експерименту забезпечила результати за такими критеріями: водо-тверде відношення, середня густина зразків після пропарювання і після висушування, міцність при стиску, міцність на згин, коефіцієнт розм'якшення, вологість матеріалу, міцність при стиску зразків у вологому стані, коефіцієнти К₁, К_2, які відображають відношення міцності на згин до міцності при стиску зразків відповідно у вологому і сухому стані.

Отримані результати стали основою для побудови математичних моделей. При цьому був проведений послідовний регресивний аналіз, орієнтований на виключення оцінок, що мають найменшу гаусcівську точність.

Однією з найважливіших задач експерименту є максимальне використання фосфогіпсу, золи-винесення із задовільним рівнем міцності.

Отримана математична модель зміни міцності матеріалу при стиску має вигляд:

Максимальна міцність матеріалу при стиску 19 МПа, а на згин 4 МПа досягається в рецептурному полі, для якого характерний мінімальний вміст фосфогіпсу (близько 400 кг/м³), максимальний вміст мергелю (400 кг/м³). Добавка золи-винесення у всьому діапазоні дозування істотно не впливає на міцність матеріалу, а її вміст дорівнює 600 -800 кг/м³.

При збільшенні вмісту фосфогіпсу і активної мінеральної добавки значення В/Т суміші зростає.

Використання мергелю, як поліфункціональної добавки окрім нейтралізації кислотних залишків позитивно відображається на зростанні величини коефіцієнта розм'якшення.

У п'ятому розділі представлена технологія виробництва фосфогіпсозолоцементного в'яжучого і виробів на його основі з використанням виробничих відходів хімічної та енергетичної промисловості.

Для виробництва в'яжучого і виробів на його основі розроблено і виготовлено спеціальне нестандартне обладнання та технологічні схеми розроблених композиційних матеріалів із використанням даної технології необхідно нестандартне устаткування, яке під час приготування суміші одночасно забезпечувало б хімічну і механічну активацію сировинних компонентів. З цією метою в роботі розроблений і виготовлений трисекційний прохідний змішувач із регульованим кутом нахилу. Під час обертання барабана змішувача фосфогіпсозольна суміш, із додаванням води, пересипаючись і переливаючись, проникає із секції в секцію через отвори в роздільних перегородках. Одночасно проходить часткове перетирання великих псевдочасток фосфогіпсу і золи. Для поліпшення перемішування в кожній секції змішувача передбачені лопасті підйому і повернення матеріалу в голову змішувача.

Впровадження роздільної поетапної технології виробництва фосфогіпсозолоцементних матеріалів із попередньою активацією золи-винесення із наступним використанням добавки - мергелю і цементу забезпечує одержання композиційних матеріалів придатних для використання в малоповерховому будівництві. Технологічна схема виробництва стінових матеріалів щільної структури на основі розроблених в'яжучих із використанням наповнювача показана на рис. 5.

Приготування бетонної суміші на основі фосфогіпсозолоцементного в'яжучого також передбачається з використанням дрібного важкого і крупного легкого (керамзит, перліт фракціонований щебінь з мергелю) заповнювачів.

Розроблено рецептурно-технологічні параметри отримання стінових матеріалів на основі фосфогіпсозолоцементного в'яжучого і досліджені його характеристики. Як видно з табл. 1 після тепловологої обробки міцність при стиску зразків коливається в межах від 17,5 до 29,7 МПа, а міцність на згин - в межах від 2.9 до 4.8 МПа. Розроблене в'яжуче і вироби на його основі по своїм експлуатаційним характеристикам задовольняють вимогам нормативів і можуть використовуватись як ефективний стіновий матеріал для малоповерхового будівництва.

Фосфогіпсозолоцементне в'яжуче з активними мінеральними добавками, що включає невеликі добавки цементу, може використовуватись, як низькомарочне в'яжуче у виробництві цілого ряду будівельних матеріалів і виробів. Так для поліпшення теплофізичних властивостей стінових матеріалів до складу сировинних сумішей вводили органічні заповнювачі.

Проведені дослідження показали, що при використанні відходів із змішаних порід деревини (тирси) як заповнювача фосфогіп-созолоцементного в'яжучого з активними мінеральними добавками отриманий конструкційно-теплоізоляційний матеріал (регламентована міцність при стиску 2.5 - 10 МПа при середній густині 500 - 1400 кг/м³), який може використовуватись для виготовлення огороджуючих конструкцій малоповерхових будівель. Результати досліджень наведені в табл. 2.

Таблиця 1 Фізико-механічні властивості зразків отриманих на основі фосфогіпсозолоцементного в'яжучого

Склад в'яжучого, мас %	Середня густина , кг/м3	Міцність,МПа	Вологість W, %	Коефіцієнт розм'якш., Кр
фосфогіпс	Зола винесення	цемент	мергель		Rст	Rзг
50	30	20	--	1557	17,5	3,96	12,3	0,72
50	30	10	10	1642	19,8	4,78	9,39	0,84
25	43	11	21	1670	20,1	3,45	15,3	0,76
25	43	21	11	1697	29,7	2,95	11,8	0,85

Таблиця 2 Результати досліджень фосфогіпсозолоцементного в'яжучого з добавками тирси змішаних порід деревини

Основні показники	Вміст тирси, мас. %
	0	5	10	15	20
міцність при стиску, МПа	18,8	13,2	8,0	7,2	6,5
середня густина, кг/м3	1800	1710	1600	1520	1440

Отриманий легкий будівельний матеріал на основі фосфогіпсозолоцементного в'яжучого з активними мінеральними добавками і органічними заповнювачами по середній густині та механічним властивостям відповідає нормативним критеріям для теплоізоляційних будівельних матеріалів. Під час використання розробленого матеріалу в будівництві слід обв'язково враховувати уникнення можливого контакту з вологою.

Фосфогіпсозолоцементне в'яжуче також може використовуватися для виробництва ніздрюватих бетонів. Під час досліджень на стадії приготування сировинної суміші до складу фосфогіпсозолоцементного в'яжучого як газоутворювач вводили алюмінієву пудру із розрахунку 500 г на 1 м³ суміші, витрати цементу складали 180 кг/м³ сировинної суміші. Після набирання пластичної міцності, зразки тверднули в гідротермальних умовах за режимом 4 + 10 + 4 годин при температурі 175 С і тиску пару 0.8 МПа. Після автоклавної обробки зразки висушувались і випробовувались на міцність при стиску. Отримані зразки характеризуються міцністю при стиску 3.2 - 3.4 МПа при середній густині 628 - 640 кг/м³, водопоглинання матеріалу знаходиться в межах 32 - 36 %. Дослідженнями установлено, що при збільшенні вмісту цементу до 300-350 кг/м³ забезпечується покращення фізико-механічних характеристик зразків ніздрюватого бетону (R_ст = 5 МПа при приведеній середній густині 600 кг/м³). Матеріали і вироби з ніздрюватої структури, виготовлені на основі фосфогіпсозолоцементного в'яжучого за властивостями відносяться до конструкційно-теплоізоляційних і можуть використовуватися для виготовлення конструкцій малоповерхових будівель і споруд. В результаті проведених санітарно-екологічних досліджень встановлено, що сумарна ефективна питома активність природних радіонуклідів сировинних матеріалів фосфогіпсозолоцементного в'яжучого не перевищує гранично допустимої величини 370 Бк/кг (перший клас будівельних об'єктів) і складає 140 Бк/кг. Розроблене в'яжуче і вироби на його основі дозволяється використовувати для усіх видів будівництва без обмежень.

Розроблені і досліджені фосфогіпсозолоцементні в'яжучі впроваджені для виготовлення штучних дрібнорозмірних стінових блоків щільної структури на Виробничому підприємстві "Вінницький завод залізобетонних конструкцій". Завдяки використанню в новому матеріалі виробничих відходів і ефективних технологій виготовлення в'яжучого і матеріалів на його основі, собівартість будівельних виробів знизилась на 18 %. Економічний ефект від впровадження розроблених в'яжучих складає 30 грн на 1 м³ сировинної суміші. Результати наукових розробок отримали позитивну оцінку на Вінницькому державному підприємстві виробничого об'єднання "Хімпром", яке планує використання запропонованих ресурсозберігаючих технологій переробки виробничих відходів з метою отримання ефективних будівельних матеріалів і виробів для потреб малоповерхового будівництва.

висновки

1. Встановлено принципову можливість використання хімічної активації золи-винесення водними розчинами кислот, що містяться в складі фосфогіпсів для одержання малоклінкерного в'яжучого.

2. Досліджено процеси хімічної активації золи-винесення у складі цементних і фосфогіпсозолоцементних композицій. Показано, що збільшення концентрації водних розчинів кислот до 8 мас % призводить до більш ефективної руйнації склоподібних плівок на поверхні золи-винесення і сприяє підвищенню гідравлічної активності зольної складової в складі малоклінкерних в'яжучих. При цьому додатковий приріст міцності на стиск цементно-зольних зразків збільшується на 30 - 50 %.

3. Встановлено, що особливістю хімічної активізації золи-винесення кислотами, які містяться у складі фосфогіпсів є утворення сульфатів і фосфатів алюмінію, заліза, кальцію, лужних металів. Останні є інтенсифікаторами гідратаційного твердіння мінерального в'яжучого. Наявність в складі в'яжучого активної мінеральної добавки, що містить до 10 % карбонату кальцію забезпечує більш глибоку нейтралізацію кислот і призводить до економії цементу.

4. Фізико-хімічними методами досліджень встановлено, що при хімічній активації золи-винесення інтенсифікуються процеси гідратації мінерального в'яжучого і зольної складової, утворюються комплексні алюмінієво-, залізогідросульфовміщуючі новоутворення кальцію, для яких характерні лінії d/n=(2.45; 3.07; 4.22; 7.62)10^-10 м.

5. Отримано математичні моделі для основних технологічно-експлуатаційних властивостей матеріалу, які дозволяють вибрати оптимальні склади в'яжучого з максимальним вмістом відходів виробництв з попередньо заданими властивостями матеріалу R_ст = 18,4 МПа, K_р = 0,79 при витратах фосфогіпсу - 500 кг/м³, золи-винесення - 400 кг/м³, активних мінеральних добавок - 400 кг/м³, цементу - 200 кг/м³.

6. Показано поліфункціональність дії мергелю, як активної мінеральної добавки. На початковому етапі використання добавки у складі фосфогіпсозолоцементного в'яжучого її карбонатна складова нейтралізує залишки кислот, що містяться у складі фосфогіпсозольної суміші, а активна форма кремнезему приймає участь у створенні гідросилікатних новоутворень після послідуючого додавання до складу суміші портландцементу.

7. Розроблено ефективні технології отримання фосфогіпсозолоцементного в'яжучого і виготовлення конструкційних та конструкційно-теплоізоляційних будівельних матеріалів та виробів на його основі. Використання таких ресурсозберігаючих технологій забезпечує вирішення актуальних проблем сьогодення - переробки і утилізації шкідливих відходів хімічної і енергетичної промисловості. Розроблене в'яжуче має міцність при стиску 10 МПа, коефіцієнт розм'якшення 0.75, при середній густині 1400 - 1600 кг/м³.

8. Санітарно-екологічними дослідженнями сумарної концентрації природних радіонуклідів в складі розробленого в'яжучого встановлено, що рівень активності природних радіонуклідів в складі матеріалу не перевищує 140 Бк/кг, а штучних джерел іонізуючих випромінювань не виявлено. Фосфогіпсозозолоцементне в'яжуче може використовуватись для всіх видів будівництва без обмежень.

9. Фосфогіпсозолоцементні в'яжучі з активною мінеральною добавкою і сировинні суміші, отримані на їх основі, впроваджені, як альтернатива традиційним матеріалам для виготовлення дрібно розмірних стінових блоків на "Вінницькому заводі залізобетонних конструкцій". При виготовленні 30 тис. штук блоків з використанням відходів виробництва і енергозберігаючих технологій встановлено, що собівартість виробів зменшилась на 18 %, а економічний ефект від використання активованих фосфогіпсозольних сумішей складає 30 грн на 1 м³ розчину.

Основні положення дисертації викладені в працях

1. Сердюк В.Р., Борецький О.Й, Амер Номан. Хімічна активація золи-винесення для цементно-зольних композицій//Вісник Вінницького політехнічного інституту. -- Вінниця: ВДТУ, 1997. -- № 1. -- С. 23--29.

2. Сердюк В.Р., Борецький О.Й., Амер Номан. Пріоритетні напрямки утилізації фосфогіпсових відходів//Вісник Вінницького політехнічного інституту. -- Вінниця: УНІВЕРСУМ, 1998. -- № 2. -- С. 37--41.

3. Сердюк В.Р., Амер Номан. Теоретичні передумови підвищення водостійкості фосфогіпсозольних в'яжучих//Вісник Вінницького політехнічного інституту. -- Вінниця: УНІВЕРСУМ, 1998. -- № 3. С. 20--23.

4. Сердюк В.Р., Амер Номан. Активація компонентів цементнофосфогіпсозольних композицій//Вісник Вінницького політехнічного інституту. -- Вінниця: УНІВЕРСУМ, 1999. -- № 5. С 42--46.

5. Сердюк В.Р., Амер Номан. Малоэнергоемкие водостойкие вяжущие с использованием фосфогипсов.//Сб. трудов междунар. научн.-техн. конф. “Ресурсосбережение и экология промышленного региона”.- Том 1. - Макеевка: ДонГАСА.- 1995.-- С. 124.

6. Сердюк В.Р., Борецкий О.И., Амер Номан. Влияние способа нейтрализации кислот фосфогипса при производстве низкомарочных вяжущих//Тез. докл. 35 междунар. семинара “Моделирование и вычислительный эксперимент в материаловедении”, МОК' 35. -. Одесса: Астропринт. - 1996. -- С. 106.

7. Сердюк В.Р., Борецкий О.И., Амер Номан. Безобжиговое низкомарочное вяжущее с использованием фосфогипса//Тези доп. І Всеукраїнської наук. техн. конф. “Прогресивні технології та машини для виробництва будматеріалів, виробів та конст-рукцій” - Полтава: ПТУ.- 1996.-- С. 171--173.

8. Борецький О.И., Амер Номан. Підвищення фізико-механічних властивостей в'яжучого на основі фосфогіпсу//Тези доп. наук.-техн. конф. “Індивідуальний житловий будинок”- Вінниця: ВДТУ.- 1996. -- С. 62.

9. Сердюк В.Р., Амер Номан. Энергосберегающая технология переработки фосфогипса//Материалы междунар. семинара “Структурообразование, прочность и разрушение композиционных строительных материалов и конструкций”- Одесса: ГОУП.- 1996. -- С. 78.

10. Сердюк В.Р., Амер Номан. Исследование и разработка технологий производства низкомарочных вяжущих с использованием фосфогипса.//Тез. докл. 38 междунар. семинара “Оптимизация в материаловедении”, МОК' 38.- Одесса: Астропринт. 1999. -- С. 100.

11. Амер Номан , Боднар П.С. Моделирование и оптимизация малоклинкерных фосфогипсозольных вяжущих// Тез. докл . 39 междунар. семинара “Рациональный эксперимент в материаловедении”, МОК' 39.- Одесса: Астропринт. 2000.-- С. 82.

АнотаціЇ

Номан Мохамед Ахмед Амер. Фосфогіпсозолоцементні в'яжучі та вироби на їх основі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. - Київський національний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, Київ, 2001.

В дисертації теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджена можливість отримання малоклінкерних фосфогіпсозолоцементних в'яжучих і стінових матеріалів, на їх основі з використанням поліфункціональної активної мінеральної добавки - мергелю з високим вмістом кремнезему (75 - 96.5 %) і до 10 % карбонату кальцію. Використання хімічно-активованої золи-винесення забезпечує економію 20 - 30 % мінерального в'яжучого. Технологія роздільного виготовлення фосфогіпсозолоцементних в'яжучих виключає використання мінерального в'яжучого для нейтралізації кислот.

Досліджено фізико-механічні властивості малоклінкерних фосфогіпсозолоцементних в'яжучих з використанням математичного методу планування експерименту та встановлено, що максимальна міцність на стиск складає 18,4 МПа, водостійкість (К_р = 0,79) матеріалу досягається при такому складі: фосфогіпсу дигідрату -- 500 кг/м³, золи-винесення -- 400 кг/м³, мергелю -- 400 кг/м³ та портландцементу -- 200 кг/м³.

На основі фосфогіпсозолоцементних в'яжучих розроблено технології виробництва стінових матеріалів з використанням органічних наповнювачів. Також отримані ніздрюваті бетони, придатні для будівництва малоповерхового будівель і споруд.

Ключові слова: хімічна активація золи, активні мінеральні добавки, фосфогіпсозолоцементні в'яжучі.

Номан Мохамед Ахмед Амер. Фосфогипсозолоцементные вяжущие и изделия на их основе - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - строительные материалы и изделия. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры. Министерства образования и науки Украины, Киев, 2001.

В диссертации теоретически подтверждена возможность получения малоклинкерных фосфогипсозолоцементных вяжущих с предварительной химической активацией золы-унос и получение на их основе стеновых материалов с использованием активных минеральных добавок полифункционального действия с содержанием активного кремнезёма до 95% и карбонатной составляющей, в част-ности - мергеля. Установлено, что на первом этапе кислоты, содержащиеся в фосфогипсах, разрушают стекловидные покрытия золы-унос, при этом обеспечивается повышение её гидравлической активности, в последующем остатки кислот нейтра-лизуются карбонатной составляющей активной минеральной добавки. На заключительном этапе в смесь вводится добавка цемента (100 - 200 кг/м³), при этом 15 - 30 % цемента могут быть заменены химически активизированной золой без уменьшения прочности вяжущего.

Дериватографическими, рентгеновскими и микроскопическими исследования-ми показано, что в золоцементных композициях, содержащих обработанную серной кислотой золу, интенсифицируются процессы гидратации минерального вяжущего за счёт зольной составляющей.

Роль активных минеральных добавок в процессе гидратации и твердения вяжущих сводится не только к повышению концентрации гидратированного кремнезема и интенсификации связывания свободной извести и кремнезема, но и к созданию большого количества новообразований, повышению прочности материала.

Образование односульфатных гидросульфоалюминатов и гидросульфоферритов кальция и гидросиликатов кальция в составе вяжущего исключает дополнительные напряжения в цементном камне из-за перехода трехсульфатной формы гидро-сульфоалюминатов и ферритов кальция в односульфатную. Исследованы фосфогипсозолоцементные вяжущие с использованием математического метода планирования эксперимента и установлено, что максимальная прочность на сжатие составляет 18,4 Мпа, на изгиб составляет 3,8 МПа и водостойкость (К_р = 0,79) композиционного материала достигается при следующем составе: фосфогипса дигидрата -- 500 кг/м³ , золы-унос -- 400 кг/м³ , мергеля -- 400 кг/м³ и портландцемента -- 200 кг/м³ .

Экспериментально установлено, что предварительное перемешивание и выдерживание фосфогипсозольной смеси в течение 24 часов с последующим введением полифункциональной активной минеральной добавки - мергеля и цемента приводит к повышению прочности фосфогипсозолоцементных композитов.

С целью совмещения технологических этапов нами разработан трехсекционный смеситель для качественного перемешивания и обработки малоклинкерных фосфогипсозолоцементных вяжущих.

Внедрение разработанной технологии обеспечивает получение строительных материалов с прочностью при сжатии 7…19 МПа при расходе портландцемента 125…200 кг/м³, пригодных для использования в малоэтажном домостроении.

Изделия на основе вяжущего с использованием фосфогипса не токсичны, не жароопасны, безопасны в процессе изготовления, транспортировки и хранения.

Для улучшения теплофизических свойств стеновых материалов на основе фосфогипсозолоцементных вяжущих в их состав вводятся органические заполнители (опилки смешаных пород древесины), использование их в составе фосфогипсозолоцементного вяжущего с активными минеральными добавками позволяет снизить плотность материала на 2025 %. В результате исследований получен конструкционно-теплоизоляционный строительный материал, который может использоваться для строительства самонесущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений. Введением алюминиевой пудры ПАП-1 в составе фосфогипсозолоцементного вяжущего с активными минеральными добавками из расчета 500 г/м³ смеси получаем ячеистый бетон с прочностью при сжатии 2.8 - 3.4 МПа при плотности 600 кг/м³.

Выполнено промышленное внедрение разработаного фосфогипсозолоцементного вяжущего с активными минеральными добавками на Производственном предприятии "Винницкий завод железобетонных конструкций". При изготовлении 30 тыс. штук мелкоразмерных стеновых блоков, за счёт использования нового материала себестоимость изделий снизилась на 18 %.

Ключевые слова: химическая активация золы, активные минеральные добавки, фосфогипсозолоцементные вяжущие.

Noman Mohamed Ahmed Amer Phosphogypsumashcement binders and products fabricated on their base.-- Manuscript.

Dissertation research of obtaining a scientific degree of candidate of technikal sciences in speciality - 05.23.05 - building materials and articles. - Kyiv National University of Construction and Architecture, Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2001.

The dissertation provides theoretical fundamentals and suggests experimental results providing the possibility to obtain low-clinker phosphogypsumashcement binders with preliminary chemical activation of fly-ash and utilization of active mineral admixtures containing carbonate component, namely, flask-like chalky clay. The application of chemically active fly-ash results in 20-30% saving of mineral binder. The technology of separate fabrication of phosphogypsumashcement binders excludes the usage of mineral binder for acid neutralization.

Physical chemical properties of phosphogypsumashcement binders have been investigated using technique of mathematic planning of experiment. It has been established, that maximum strength (Rst=l8,4 MPa) and water -resistance property (Kp=0,79) of composite material are obtained in case of such composition: phosphogypsum dihydrate - 5OO kg/ m³ fly-ash-400 kg/m³ flask-like chalky clay-400 kg/m³ and portland cement-200 kg/m³.

The technologies of wall construction materials using sawdust as a binder have been developed on the base of phosphogypsumashcement, cellular concretes fit for low-story housing construction.

Keywords: chemical activity of ash, active mineral admixtures, phosphogypsumashcement binders.

Размещено на Allbest.ru

...