Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ПРИРОДООХОРОННОГО

ТА КУРОРТНОГО БУДІВНИЦТВА

УДК 666.9.022.3

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

СТІНОВІ КАРБОНАТНІ МАТЕРІАЛИ НА КОМПЛЕКСНОМУ МЕХАНОАКТИВОВАНОМУ СИЛІКАТ-НАТРІЄВОМУ В'ЯЖУЧОМУ

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

Лук'янченко Михайло Панасович

Сімферополь - 2005

Дисертація є рукописом.

Роботу виконано на кафедрі технології будівельних конструкцій і будівельних матеріалів Національної академії природоохоронного та курортного будівництва (НАПКБ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор Федоркін Сергій Іванович, Національна академія природоохоронного та курортного будівництва, завідувач кафедри технології будівельних конструкцій і будівельних матеріалів.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Савін Лев Сергійович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри екології;

кандидат технічних наук, професор Барабаш Іван Васильович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри будівельних матеріалів.

Провідна установа:Національний університет водного господарства та природокористування, кафедра технології будівельних виробів та матеріалознавства, Міністерство освіти і науки України, м. Рівне.

Захист дисертації відбудеться 17 травня об 11⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради К 52.079.01 Національної академії природоохоронного та курортного будівництва (Україна, 95006, м. Сімферополь, вул. Павленка, 5, 2 навчальний корпус, зала засідань).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної академії природоохоронного та курортного будівництва (Україна, 95006, м. Сімферополь, вул. Павленка, 5, 2 навчальний корпус).

Автореферат розісланий 14 квітня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент О.А. Рубель

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Вичерпання запасів якісної природної сировини стримує зростання виробництва будівельних матеріалів. У таких умовах підвищується роль нових технологій виготовлення будівельних матеріалів на основі вторинної сировини - побіжних продуктів гірничодобувних, хімічних і інших виробництв. Як правило, вторинна сировина не має необхідних властивостей, що дозволяють їхнє ефективне використання в будівельній індустрії. Одним з перспективних напрямків поліпшення якості сировинних компонентів у виробництві будівельних матеріалів є їхня механічна активація шляхом високошвидкісного подрібнення. Зміна технологічних властивостей сировини при цьому пов'язана з ростом енергії кристалічних ґрат часток, утворенням дефектів структури й інших процесів, викликаних механічною активацією. Ефективне використання процесу механохімічної активації в технологіях виробництва будівельних матеріалів, з одного боку, вимагає вивчення складного механізму механоактивації матеріалів при високошвидкісному навантаженні, а з іншого боку, створення оптимальних умов реалізації цього механізму при формуванні структури будівельних матеріалів. Тому сьогодні особливу актуальність набуває здійснення нових наукових розробок, спрямованих на створення будівельних матеріалів і ресурсозберігаючих технологій їхнього виробництва з механоактивацією вторинної сировини високошвидкісними подрібнювачами, що допоможуть вирішити важливі прикладні задачі використання вторинної сировини в будівельній індустрії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконані в Національній академії природоохоронного та курортного будівництва у рамках пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки в Україні “Створення нових ефективних будівельних матеріалів, виробів і конструкцій на основі речовин органічного і неорганічного походження” по темам: “Науково-методичні основи розробки мало енергетичних екологічно чистих технологій виробництва будівельних матеріалів” (номер державної реєстрації 0198U005858) і “Фізико-хімічні і технологічні основи одержання високонаповнених портландит-силікат-кальцієвих в'яжучих конденсаційного твердіння і матеріалів на їхній основі” (номер державної реєстрації 0104U003265).

Мета і задачі дослідження. Мета дослідження полягає в розробці стінових матеріалів на основі карбонатної вторинної сировини і механоактивованого комплексного силікат-натрієвого в'яжучого шляхом установлення закономірностей впливу інтенсивної механічної дії на активацію комплексного в'яжучого і формування структури і властивостей карбонатних будівельних матеріалів з його використанням.

Для досягнення мети вирішувались такі задачі:

досліджено основні закономірності впливу інтенсивного механічного впливу на процес руйнування і механоактивації вапняків;

розроблено комплексне силікат-натрієве в'яжуче з добавками вторинної сировини і встановлені закономірності впливу механохімічної активації на його властивості;

створено ефективний стіновий матеріал на основі вапнякових побіжних продуктів каменедобування і підземного будівництва та механоактивованого комплексного силікат-натрієвого в'яжучого і досліджені його структура і властивості;

обґрунтовано основні технологічні параметри і розроблена технологія виробництва карбонатних стінових матеріалів на основі вапнякових порід і механоактивованого комплексного силікат-натрієвого в'яжучого;

зроблено дослідно-промислову перевірку і впровадження ресурсозберігаючої технології виробництва стінових матеріалів на основі вапнякових порід та механоактивованого комплексного силікат-натрієвого в'яжучого і дано економічне обґрунтування їхньої економічної ефективності.

Об'єкт досліджень - закономірності впливу інтенсивного механічного впливу на активацію комплексного в'яжучого і формування структури і властивостей карбонатних будівельних матеріалів з його використанням.

Предмет досліджень - стіновий матеріал на основі карбонатної вторинної сировини і механоактивованого комплексного силікат-натрієвого в'яжучого.

Методи досліджень. Поставлені задачі дослідження вирішувалися об'єднанням стандартних методів дослідження хімічного складу, структури, фізико-технічних властивостей вторинної сировини і будівельних матеріалів зі спеціально розробленими комплексними методами дослідження динамічного руйнування твердих матеріалів при високошвидкісному навантаженні, характерному для механоактиваційних процесів і дисперсного аналізу здрібнених і механоактивованих сировинних матеріалів. Диференційно-термічний, рентгеноструктурний, петрогафічний аналізи, інфрачервону спектроскопію (ІЧС) та електронну мікроскопію здійснювали на стандартному обладнанні.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у такому:

- теоретично й експериментально підтверджена можливість одержання механоактивованого високошвидкісним подрібненням комплексного силікат-натрієвого в'яжучого і стінових карбонатних матеріалів з його використанням;

- експериментально установлений вплив швидкості навантаження при подрібненні і температури на процес декарбонізації зразків вапняку різного розміру і показана роль оксиду кальцію, що утворюється на поверхні вапнякових часток у формуванні структури матеріалу на силікат-натрієвому в'яжучому;

- виявлено закономірності формування структури і властивостей карбонатних матеріалів з використанням механоактивованого комплексного силікат-натрієвого в'яжучого в залежності від витрати в'яжучого, співвідношення компонентів у ньому і рівня механохімічної активації;

- показано, що наявність у комплексному механоактивованому силікат-натрієвому в'яжучому піритних недогарків приводить до утворення в цементуючій масі опаловидного мінералу бобковиту і підвищенню міцності матеріалу;

- розроблені стіновий карбонатний матеріал на комплексному механоактивованому силікат-натрієвому в'яжучому і ресурсозберігаюча технологія його виготовлення, що дозволяє в результаті реалізації процесів механохімічної активації знизити витрати енергоємної силікату-брили до 10 - 20 % без зниження фізико-механічних властивостей виробів.

Практичне значення отриманих результатів. Практичне значення отриманих у дисертаційній роботі результатів полягає у наступному:

- розроблено ефективний карбонатний стіновий будівельний матеріал на основі вапнякової вторинної сировини і комплексного механоактивованого силікат-натрієвого в'яжучого зі зниженим вмістом силікату-брили в суміші;

- розроблено ресурсозберігаючу технологію виробництва стінових карбонатних будівельних матеріалів з використанням процесів механохімічної активації вторинної сировини;

- результати роботи впроваджені на дослідно-промисловому виробництві стінових матеріалів в НВФ “ЕБПО”. Річний економічний ефект в результаті впровадження дослідно-промислового виробництва лицьової цегли на основі побіжних продуктів Бештерекського родовища потужністю 5 млн. штук умовної цегли на рік складає 631,4 тис. грн., а скорочення економічного збитку, що наноситься навколишньому середовищу - 172,0 тис. грн.

Результати досліджень пройшли дослідно-промислову перевірку і можуть бути рекомендовані до широкого впровадження на підприємствах будівельної індустрії України.

Результати досліджень, отримані в дисертаційній роботі, використовуються в навчальному процесі НАПКС при вивченні дисциплін: “Будівельні матеріали і вироби”, “Інтенсифікація виробничих процесів”, “Дисципліна цільової підготовки”.

Особистий внесок здобувача полягає:

- у виявленні закономірностей впливу інтенсивної механічної дії на процеси руйнування і декарбонізації вапняків;

- в обґрунтуванні і розробці комплексного механоактивованого силікат-натрієвого в'яжучого і карбонатних будівельних матеріалів з його використанням;

- у дослідженні властивостей і структури карбонатних стінових будівельних матеріалів на основі вапнякової вторинної сировини і комплексного механоактивованого силікат-натрієвого в'яжучого;

- у розробці ресурсозберігаючої технології виробництва карбонатних будівельних матеріалів на основі вторинної вапнякової сировини і механоактивованого комплексного силікат-натрієвого в'яжучого;

- в обговоренні і публікації результатів теоретичних і експериментальних досліджень по створенню нових стінових карбонатних матеріалів на основі вапнякових побіжних продуктів каменевидобутку і підземного будівництва та механоактивованого силікат-натрієвого в'яжучого.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи і матеріали досліджень доповідалися й обговорювалися: на міжнародній конференції “Сучасні проблеми відновлення і реконструкції будинків і споруджень” (7 - 11 жовтня 2002 року, МДЦ “Артек”, Крим, Гурзуф); на щорічній міжнародної конференції “Інноваційні технології діагностики, ремонту і відновлення об'єктів будівництва і транспорту” (м. Алушта, 2004 г); на другій міжнародній науково-практичній конференції “Енергозберігаючі технології використання відходів промисловості в будівельних матеріалах і будівництві” (18 - 19 листопада 2004 року, м. Київ); на науково-технічних конференціях і семінарах професорсько-викладацького складу Національної академії природоохоронного та курортного будівництва (Сімферополь, 2000 - 2005 рр.).

Публікації. Основні положення дисертації викладені в 5 статтях, опублікованих у наукових збірниках, що входять у перелік ВАК України для публікації результатів дисертаційних досліджень.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 142 найменувань на 15 сторінках і 4 додатків на 27 сторінках. Робота викладена на 113 сторінках основного тексту, серед них 32 рисунка на 27 сторінках та 13 таблиць на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дослідження, наведено основні наукові результати роботи та вказано на її практичне значення.

В першому розділі були проаналізовані фізичні, фізико-хімічні і технологічні аспекти механоактивації сировинних компонентів та її роль у формуванні структури і властивостей будівельних матеріалів. Розглянуто сучасні теорії механохімічних процесів у технології будівельних матеріалів, показано вплив механоактивації на властивості основних структуроутворюючих компонентів будівельних матеріалів. Викладено сучасні уявлення про формування структури карбонатних будівельних матеріалів з використанням безводної силікат-натрієвої зв'язки, зокрема силікат-брили. Показані можливі технологічні фактори прискорення гідратації тонко подрібненої силікат-брили та детально розглянутий механізм твердіння силікат-натрієвих композицій.

Сучасні уявлення про формування структури і властивостей силікатних та карбонатних будівельних матеріалів і технологічні особливості виробництва виробів на основі механоактивованого силікат-натрієвого в'яжучого пов'язані з роботами Є.Г. Аввакумова, В.М. Блінічєва, В.О. Бернштейна, П.П. Гуюмджяна, К. Петера, П.В. Кривенка, Р.Ф. Рунової, А.П. Тарасової, Б.Д. Тотурбієва, Г. Хайніке, Х. Хеєнга, Б.С. Ходакова, С.І. Федоркіна, Р. Шредера, і багатьох інших дослідників.

У результаті проведеного аналітичного огляду було встановлено, що залучення у виробництво будівельних матеріалів вторинної сировини дозволяє вирішувати ресурсні та природоохоронні проблеми. Одним з найбільш поширених способів переробки сировини є її механоактивація. Аналіз сучасних досліджень свідчить, що на інтенсивність процесу подрібнення і активації великий вплив мають характеристики механічної дії. Так при збільшенні швидкості співзіткнення часток матеріалу, який подрібнюється, виникає різке прискорення процесів формування структури, підвищення міцності силікатних бетонів, що веде до скорочення температурних параметрів та параметрів протяжності часу їхньої теплової та термічної обробки. Тому, цілком можливо гадати, що спільна механічна активація карбонатних кам'яних порід і безводного силікату натрію призведе до прискорення процесу декарбонізації вапняку та можливості утворення гідросилікатів кальцію.

На основі існуючих експериментальних і теоретичних досліджень процесів динамічного руйнування твердих тіл, механоактивації твердих тіл і механізму твердіння безводних силікат-натрієвих композицій, а також виконаних експериментально-промислових і виробничих досліджень, було розроблено таку генеральну гіпотезу досліджень: спільний високошвидкісний тонкий помел карбонатних порід, силікат-глиби та піритних недогарків дозволить одержати комплексне в'яжуче для виробництва стінових карбонатних матеріалів, твердіння яких буде відбуватись при сушінні як за рахунок зміцнення контактів між тонкодисперсними частками, так і за рахунок хімічної взаємодії між силікатом натрію і оксидом кальцію, котрі можливо будуть утворюватись на поверхні тонко дисперсних часток карбонатних порід при помелі.

Сучасні погляди на механізм руйнування твердих тіл при високошвидкісному подрібненні та механоактивації твердих матеріалів досить різноманітні, що свідчить про недостатню вивченість цих процесів, які умовно можна розділити на дві частини.

Перша частина включає аналіз впливу механічної активації на декарбонізацію вапняку та подальшу хімічну взаємодію між силікатом натрію і оксидом кальцію, а друга частина складається з визначення їхніх співвідношень і одержання в'яжучого, на основі якого розроблені нові стінові будівельні матеріали.

У другому розділі приведено характеристику використаних матеріалів та описуються методи досліджень.

У якості карбонатного компоненту у роботі використані побіжні продукти каменевидобування наступних підприємств: кар'єру „Мармурове” (мармурований вапняк) із вмістом СаСО₃ до 98 %, НВФ „ЕБПО” і кар'єру „Скелясте” (нумулітовий вапняк) із вмістом СаСО₃ до 93 % та жовтий вапняк-черепашник Євпаторійського родовища із вмістом СаСО₃ до 95 %. У якості силікат-натрієвої зв'язки прийнята силікат-брила (ГОСТ 13079 - 89) з модулем 2,8. Силікат-брила є охолодженим розплавом, одержаним плавленням суміші кварцового піску з содою при температурі 1300 - 1400 ^оС. Хімічний склад силікат-брили вирізняється значним вмістом Al₂O₃ (до 73,4 %), вміст Na₂O до 27,9 %. Залізомісткий компонент представлений у роботі побічним продуктом хімічної промисловості - піритними недогарками, що утворюються при виробництві сірчаної кислоти на ДАК “Титан” (м. Арм'янськ, Крим). Піритні недогарки складаються, в основному, із гетиту, гематиту та піриту, характеризуються значним вмістом Fe₂O₄ (до 74,5 %).

Розроблено методологію досліджень, що включає загальну блок-схему досліджень, обґрунтований вибір методик дослідження фізико-механічних властивостей, складу і структури комплексного механоактивованого силікат-натрієвого в'яжучого та карбонатних матеріалів на основі цього в'яжучого. Поставлені задачі дослідження вирішувалися поєднанням стандартних методів (хімічного, диференціально-термічного, петрографічного, рентгенографічного аналізи, електронна мікроскопія та інфрачервона спектроскопія) зі спеціально розробленим методом дослідження одноразового ударного руйнування окремих часток матеріалів при високошвидкісному навантаженні, характерному для механоактиваційних процесів, та дисперсного аналізу подрібнених і механоактивованих сировинних матеріалів.

Для одержання достовірних експериментальних даних результати досліджень оброблено методами математичної статистики.

У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень впливу механохімічної активації на процеси декарбонізації вапняку, а також визначення оптимального складу механоактивованого комплексного силікат-натрієвого в'яжучого з використанням вапнякової сировини і піритних недогарків. Експериментально досліджено вплив швидкості співзіткнення часток у діапазоні 50 - 300 м/с і температури на процес її подрібнення і механоактивації за допомогою електромагнітної метальної установки. будівельний стіновий карбонатний

Відзначено, що зі збільшенням швидкості співзіткнення окремих часток вапняка з 50 до 300 м/с, при температурі 273 К, 293 К і 373 К і з збільшенням розміру часток з 5 до 10 мм починається зростання питомої поверхні продуктів руйнування і підвищення рівня їх механоактивації, який оцінюється по вмісту вільного СаО. Для зразків розміром 5 мм критична швидкість співзіткнення часток, яка відповідає початку механоактивації, складає 150 м/с при 273 К і 100 м/с - при 293 К і 373 К. Для зразків розміром 10 мм критична швидкість дорівнює 150 м/с при 273 К, 100 м/с при 293 К і 50 м/с при 373 К. Вивчення гранулометричного складу продуктів руйнування окремих часток свідчить про монотонне зростання мілких фракцій з зростанням швидкості співзіткнення.

Механоактивація матеріалів визначається не тільки швидкістю навантаження, але й конструктивними особливостями млинів. З метою визначення оптимальних способів подрібнення було проведено дисперсний аналіз і вивчення структурних матеріалів у кульовому, вібраційному, роторному і газоструменевому млинах. При цьому швидкість співзіткнення часток змінювалась від 30 м/с (кульовий млин) до 400 м/с (газоструменевий млин). Електронно-мікроскопічні дослідження часток і аналіз гістограм показав, що найбільш тонкі і монодисперсні частки є характерними для газоструменевого і роторного подрібнення зі швидкостями ударного навантаження 400 і 150 м/с відповідно. Обсяг часток розміром менше як 5 мкм складає 9 - 14 % при подрібненні матеріалів у кульовому та вібраційному млинах і 59 - 61 % при роторному і газоструменеву подрібненні. При цьому, у випадку газоструменевого і роторного подрібнення вапняку починається його інтенсивна декарбонізація з наступною агрегацією і зарощуванням місця контактів подрібнених часток.

Дослідження залежності фізико-механічних властивостей експериментальних зразків від кількості компонентів і способу подрібнення сировинної суміші (кульовий, високошвидкісний млини) проводили на зразках-циліндрах розміром 5 Ч 5 см, виготовлених методом напівсухого формування при питомому тису пресування 25 МПа. Питома поверхня сировинної суміші складала 3000 см²/г. Теплова обробка зразків включала пропарювання 4 години при 90 - 95 ^оС з наступною сушкою при 180 - 200 ^оС на протязі 4 годин.

Оптимальний вміст силікат-брили у в'яжучому при здрібнення сировинної суміші у кульовому млині складає, незалежно від виду вапняку, 30 - 40 % (міцність при стиску 33,6 - 38,6 МПа). При здрібненні і активації сировинної суміші у високошвидкісному млині оптимальна витрата силікат-брили складає 10 - 20 % (міцність при стиску 32,0 - 40,3 МПа). При заміні частини активованого сумісно з силікат-глибою вапняку вапняком, помеленим у кульовому млині (до 90 %), міцність при стику зразків практично не змінювалась і складала 25,5 - 40,2 МПа.

Уведення у сировинну суміш комплексного механоактивованого в'яжучого, що складається з силікат-брили і частини вапняку, піритних недогарків до 20 % (мас.) призводить до зростання міцності дослідних зразків в 1,82 - 1,84 рази у порівнянні з міцністю в'яжучого без піритних недогарків.

Електронно-мікроскопічні дослідження структури зразків комплексного механоактивованого в'яжучого з піритними недогарками дозволили виявити, що в структурі цих складів виникають кристалічні новоутворення (ймовірно сульфати, гіпс), які зшивають частки і агрегати вапняку та безводної силікат-натрієвої зв'язки.

На основі проведених досліджень розроблене в'яжуче - механоактивована суміш, що складається із силікат-брили, вапняку і піритних недогарків у співвідношенні 1 : 1 : 1.

Четвертий розділ присвячено розробці будівельних стінових матеріалів на основі вапнякової вторинної сировини і комплексного механоактивованого силікат-натрієвого в'яжучого, дослідженню структури та встановленню основних технологічних параметрів їхнього виробництва.

Для одержання стінових будівельних матеріалів використовували здрібнений в молотковому здрібнювачі вапняк фракції 0 - 2 мм і розроблене комплексне механоактивоване силікат-натрієве в'яжуче у кількості 5 - 50 % (мас.). Дослідні зразки стінових матеріалів виготовляли методом напівсухого пресування (вологість формотворної суміші 10 %) при питомому тиску 25 МПа. Аналіз результатів дослідження показав, що оптимальна кількість в'яжучого в суміші складає 30 - 40 %, при цьому витрата силікат-брили у сировинній суміші - 10 - 13,3 %.

Межа міцності при стиску зразків дещо зростає в ряду: інкерманський вапняк > вапняк-черепашник > мармуровий вапняк. Міцність зразків оптимальних складів складає 40,4 - 46,3 МПа, водопоглинання 10,0 - 12,4 %, коефіцієнт розм'якшування 0,7 - 0,8, що дозволяє віднести ці матеріали до водостійких.

Статистична обробка результатів дозволила одержати математичну залежність межи міцності зразків (Y) від витрати в'яжучого (Х₁), співвідношення компонентів у в'яжучому (Х₂) і швидкості обертання ротору млина (Х₃):

Y = 42,74 + 1,34Х₁ + 5,29Х₂ + 7,04Х₃ - 4,13Х₁Х₂ + 0,34Х₁Х₂Х₃.

Для дослідження структури карбонатного бетону на комплексному механоактивованому силікат-натрієвому в'яжучому застосовували петрографічний, рентгеноструктурний, дериватографічний аналізи та ІЧС. Встановлено, що для усіх дослідних зразків характерна уламкова літопластична структура, що складається з кутастих уламків вапняку і цементуючої маси. Цементуюча маса представлена структурами алевритових, алевроперитових різновидів з окремими уламками кварцу. Структура цементуючої маси характеризується дуже дрібними частками: 0,01 - 0,001 мм і менше. Максимальною пористістю вирізняються зразки з використанням мармурових вапняків, а найменшою - зразки, виготовленні на жовтому вапняку-черепашнику.

На контактах уламків, а також безпосередньо в масі композиційного в'яжучого, виявлені новоутворення з елементами початкової кристалізації. Рентгенографічні дослідження свідчать про наявність речовини, яка по структурі близька природному мінералу гілебрандиту (2СаО·SiO₂·Н₂О). Наявність у складі комплексного силікат-натрієвого в'яжучого піритних недогарків призводить до утворення просякнутих гематитом новоутворень опалу, халцедону, в-кварцу. Найбільш впливовими технологічним фактором при виготовленні будівельних матеріалів способом напівсухого пресування є питомий тиск пресування та режим теплової обробки відформованих виробів.

Визначення оптимального питомого тиску пресування стінових карбонатних матеріалів на комплексному механоактивованому силікат-натрієвому в'яжучому проводили на оптимальних складах мас із різними видами вапняків при різних рівнях питомого тиску пресування. Міцність зразків зростає зі збільшенням тиску пресування. Оптимальним питомим тиском пресування, можна вважати 25 МПа.

Теплова обробка дослідних зразків складалась із пропарювання при температурі 90 ^оС протягом 4 годин (2 години підйом температури і 2 години ізотермічне витримування) і наступного сушіння протягом 6 годин (1,5 години підйом температури, 3 години витримування при максимальній температурі, 1,5 годин зниження температури). Для визначення оптимальної температури сушіння і її впливу на межу міцності при стиску випробовували дослідні зразки при різних температурних режимах. Оптимальною температурою сушіння в результаті проведених досліджень є 200 ^оС, що на 50 ^оС нижче в порівнянні з даними Б.Д. Тотурбієва.

П'ятий розділ присвячено практичній реалізації результатів досліджень. Обґрунтовано і розроблена ресурсозберігаюча технологія виробництва карбонатних стінових матеріалів на механоактивованому силікат-натрієвому в'яжучому з використанням вапнякової вторинної сировини. В умовах науково-виробничої фірми по експлуатації і будівництву підземних об'єктів (НВФ ЕБПО) вироблено дослідно-промислову партію карбонатної лицьової цегли на комплексному механоактивованому силікат-натрієвому в'яжучому в кількості 1000 шт. Впровадження розробленої технології проведено з використанням карбонатних нумулітових побіжних продуктів гірничого виробництва Бештерекського родовища вапняку (м. Сімферополь), силікат-брили і піритних недогарків ДАК „Титан”. Фізико-механічні випробування цегли дослідно-промислової партії показали, що цегла по всім показникам задовольняє вимогам ДСТУ Б В. 2.7-7 - 94.

В результаті впровадження дослідно-промислового виробництва лицьової цегли на основі побіжних продуктів каменедобування Бештерекського родовища потужністю 5 млн. ум. цегли на рік додатковий прибуток може скласти 631400 грн., а прибуток від скорочення економічного збитку, що наноситься навколишньому середовищу - 172000 грн.

ВИСНОВКИ

1. Теоретично обґрунтовано й експериментально доведено, що спільний високошвидкісний тонкий помел вапнякової сировини, силікату-брили і піритних недогарків дозволяє одержати комплексне в'яжуче для виробництва стінових карбонатних матеріалів, твердіння якого відбувається при сушінні як за рахунок зміцнення контактів між тонкодисперсними частками, так і за рахунок хімічної взаємодії між силікатом натрію й оксидами кальцію.

2. Проведено класифікацію, аналіз утворення і використання як вторинної сировини побіжних продуктів хімічної промисловості і будівельної індустрії підприємств Півдня України. Показано вплив цих продуктів на погіршення екологічної ситуації у регіоні.

3. Вивчено вплив швидкості навантаження часток вапняку на процес його подрібнення і механохімічної активації. Визначено залежність утворення вільного оксиду кальцію від температури і швидкості співзіткнення часток вапняку. Встановлено, що зі збільшенням швидкості співударяння одиночних часток вапняку з 50 до 300 м/с, температури з 273 до 373 К і розміру часток з 5 до 10 мм відбувається зростання питомої поверхні продуктів руйнування і підвищення рівня її механоактивації, що оцінювалась по вмісту вільного СаО. Для зразків розміром 5 мм критична швидкість співударяння часток, що відповідає початку механоактивації, складає 150 м/с при 273 К, 100 м/с при 293 К та 373 К. Для зразків розміром 10 мм критична швидкість дорівнює 150 м/с при 273 К, 100 м/с при 293 К і 50 м/с при 373 К. Вивчення гранулометричного складу продуктів руйнування одиночних часток свідчить про монотонне збільшення дрібних фракцій з ростом швидкості співзіткнення.

4. Вивчено вплив механохімічної активації на структуру і властивості карбонатних матеріалів на безводному силікат-натрієвому в'яжучому. Показано, що високошвидкісне спільне здрібнювання вапняку і силікату-брили знижує її оптимальну витрату з 30 ч 40 % до 10 ч 20 % без зменшення міцності (32 ч 40 МПа) у порівнянні зі здрібнюванням сировини в кульовому млині. Цей ефект пов'язаний з хімічною взаємодією оксиду кальцію, що утвориться в процесі механохімічної активації, із силікатом натрію. Встановлено, що оптимальна кількість механоактивованого вапняку в суміші із силікатом-брилою, що забезпечує процес хімічної взаємодії оксиду кальцію із силікатом натрію складає 10 %. При цьому міцність в'яжучого для усіх видів досліджених вапняків практично не зростає зі збільшенням кількості активованого вапняку в суміші більш 10 % і знаходиться в межах 25,5 40,2 МПа.

5. Досліджено вплив піритних недогарків на міцністні характеристики в'яжучого при його введенні в сировинну суміш. Результати показують, що міцність зразків з додаванням у в'яжуче 30 % піритних недогарків збільшилася в 1,82 1,84 рази в порівнянні з міцністю в'яжучого без піритних недогарків. Досліджено структуру зразків в'яжучого, як без піритних недогарків, так і з їхнім додаванням. У зразках з піритними недогарками виявлені новоутворення, що зшивають частки й агрегати вапняку і безводного силікат-натрієвого в'яжучого. Розроблено комплексне механоактивоване силікат-натрієве в'яжуче. Експериментально показано, що оптимальний склад в'яжучого мусить включати механоактивовану суміш силікату-брили, вапняку і піритних недогарків, узятих у співвідношенні 1:1:1 (по масі). При цьому межа міцності при стиску отриманого в'яжучого складає 55,0 ч 57,4 МПа в залежності від виду вапняку.

6. Проведено експериментальний підбір складів дрібнозернистого бетону на основі комплексного механоактивованого силікат-натрієвого в'яжучого і вапнякової сировини. Показано, що оптимальна кількість комплексного в'яжучого в суміші складає 30 40 %, при цьому витрата силікату-брили в сировинній суміші - 10 13,3 %. Межа міцності зразків оптимального складу складає - 44,0 44,5 МПа. Отримано математичну залежність межі міцності зразків карбонатних матеріалів від рівня механоактивації, витрати комплексного в'яжучого, співвідношення компонентів у в'яжучому, яку можна використовувати для розрахунку складу сировинної суміші.

7. З використанням методів петрографічного, рентгеноструктурного, термічного аналізів й інфрачервоної спектроскопії досліджена структура зразків. Встановлено, що для усіх зразків характерна уламкова літопластична структура, що складається з кутастих уламків вапняків і цементуючої маси. Цементуюча маса представлена структурами алевритових, алевроперітових різновидів з окремими уламками кварцу. Показано вплив виду вапняку на характер структури карбонатного матеріалу. Досліджено контактну зону “в'яжуче - карбонатний заповнювач” і показано, що на контакті в'яжучої речовини, представленої силікат-гелем і уламками вапняку, чітко просліджуються облямівки цементного складу, котрі представлені гелебрандитом.

8. Дослідження структури карбонатних матеріалів показало, що наявність у силікат-натрієвому в'яжучому піритних недогарків впливає на фізико-механічні властивості експериментальних зразків (збільшення міцності в 1,8 ч 1,82 рази). Це зв'язано з тим, що в цементуючій масі, при заданих умовах пропарювання і висушування відзначена наявність просочених гематитом новоутворень опалу, халцедону, в-кварцу.

9. Розроблено основні оптимальні технологічні параметри виробництва стінових карбонатних матеріалів, що визначають фізико-механічні характеристики виробів. Вивчено вплив тиску пресування на властивості карбонатних матеріалів і встановлено, що оптимальний питомий тиск пресування складає 25 МПа при міцності зразків 18 32 МПа. Досліджено залежність міцності зразків від максимальної температури їхнього висушування. Встановлено, що оптимальна температура сушіння карбонатних матеріалів з урахуванням зниження енерговитрат на їхнє виготовлення, складає 200 ^оС.

10. Розроблено технологію виробництва лицьової цегли на основі вапнякової вторинної сировини і комплексного механоактивованого силікат-натрієвого в'яжучого. Проведено дослідно-промислові випробовування технологічного процесу виготовлення карбонатної цегли на комплексному механоактивованому силікат-натрієвому в'яжучому і показано, що по розробленій технології можливо одержати цеглу М 250, що задовольняє вимогам ДСТУ Б В.2.7-7 - 94.

11. Зроблено розрахунок ефективності виробництва стінових матеріалів (лицьової цегли) на основі вапнякової вторинної сировини і комплексного механоактивованого силікат-натрієвого в'яжучого. У результаті створення дослідно-промислового виробництва лицьової цегли на основі побіжних продуктів Бештерекського родовища потужністю 5 млн. штук умовної цегли на рік річний економічний ефект складає 631,4 тис. грн., скорочення економічного збитку, що наноситься навколишньому середовищу, - 172,0 тис. грн.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО В ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Федоркин С.И., Димитращук Л.Н., Лукьянченко М.А., Панченко Н.В. Строительные материалы из местного сырья для реконструкции и восстановления зданий // Строительство и техногенная безопасность. - Симферополь: КАПКС. - 2002. - вып. 6. - С. 100 - 102.

Внесок здобувача - узагальнені результати розробки технології виробництва цегли.

2. Лукьянченко М.А. Стеновые материалы на основе карбонатного сырья и силикат-натриевой связки // Строительство и техногенная безопасность. - Симферополь: КАПКС. - 2002. - вып. 7. - С. 198 - 200.

3. Лукьянченко М.А. Технология получения известняковых строительных материалов на основе механоактивированного силикат-натриевого вяжущего // Строительство и техногенная безопасность. - Симферополь: КАПКС. - 2003. - вып. 8. - С. 100 - 102.

4. Федоркин С.И., Лукьянченко М.А. Механохимическая активация известняков при высокоскоростном измельчении и ее роль в формировании свойств карбонатних материалов на силикат-натриевом вяжущем // Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Сб. научн. тр. “Инновационные технологи дагностики, ремонта и восстановления объектов строит. и трансп.”. - Днепропетровск: ПГАСА. - 2004. - Вып. 30. - С. 10 - 15.

Внесок здобувача - постанова і проведення експериментів, дослідження та аналіз властивостей карбонатних матеріалів на механоактивованій силікат-натрієвій зв'язці.

5. Лукьянченко М.А. Технология изготовления карбонатного кирпича на механоактивированной силикат-натриевой связке // Строительство и техногенная безопасность. - Симферополь: КАПКС. - 2004. - вып. 9. - С..

АНОТАЦІЯ

Лук'янченко М.П. Стінові карбонатні матеріали на комплексному механоактивованому силікат-натрієвому в'яжучому. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби. Національна академія природоохоронного та курортного будівництва, Сімферополь, 2005.

Дисертація присвячена теоретичному і експериментальному обґрунтуванню розробки стінових будівельних матеріалів на основі карбонатної вторинної сировини і механоактивованого комплексного силікат-натрієвого в'яжучого шляхом встановлення закономірностей впливу інтенсивної механічної дії на активацію комплексного в'яжучого і формування структури і властивостей карбонатних будівельних матеріалів з його використанням.

Встановлено, що сумісна механоактивація силікат-брили, піритних недогарків і карбонатної вторинної сировини, узятих у співвідношенні 1:1:1, дозволяє за рахунок інтенсифікації фізико-хімічних процесів при гідратації отримати комплексне в'яжуче активністю 55,0 ч 57,4 МПа. На основі розробленого комплексного силікат-натрієвого в'яжучого і вапнякової сировини одержано стіновий будівельний матеріал з межею міцності при стиску 44,0 ч 44,5 МПа. Розроблена і впроваджена в умовах НВФ „ЕБПО” технологія виготовлення карбонатної лицьової цегли М 250 з використанням комплексного механоактивованого силікат-натрієвого в'яжучого і вторинної вапнякової сировини.

Ключові слова: механоактивація, фізико-хімічні властивості, силікат-брила, вторинна карбонатна сировина, піритні недогарки, силікат-натрієве в'яжуче, карбонатний стіновий матеріал.

АННОТАЦИЯ

Лукьянченко М.А. Стеновые карбонатные материалы на комплексном механоактивированом силикат-натриевом вяжущем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - Строительные материалы и изделия. Национальная академия природоохранного и карортного строительства, Симферополь, 2005.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному обоснованию и разработки стеновых строительных материалов на основе карбонатного вторичного сырья и механоактивированного комплексного силикат-натриевого вяжущего путем установления закономерностей влияния интенсивного механического воздействия на активацию комплексного вяжущего и формирование структуры и свойств карбонатных строительных материалов с его использованием.

Изучено влияние скорости нагружения частиц известняка на процесс его измельчения и механохимической активации. Определена зависимость образования свободного оксида кальция от температуры и скорости соударения частиц известняка. Установлено, что с увеличением скорости соударения одиночных частиц известняка с 50 до 300 м/с, температуры с 273 К до 373 К и размера частиц с 5 до 10 мм происходит рост удельной поверхности продуктов разрушения и повышения уровня их механоактивации, оцениваемого по содержанию СаО.

Изучено влияние механохимической активации на структуру и свойства карбонатных материалов на безводной силикат-натриевой связке. Показано, что высокоскоростное совместное измельчение известняка и силикат-глыбы снижает ее оптимальный расход с 30ч40 % до 10ч20 % без уменьшения прочности (32ч40 МПа) по сравнению с измельчением сырья в шаровой мельнице. Установлено, что оптимальное количество механоактивированного известняка в смеси с силикат-глыбой, обеспечивающего процесс химического взаимодействия оксида кальция с силикатом натрия составляет 10 %. При этом прочность вяжущего для всех видов исследованных известняков практически не возрастает с увеличением количества активированного известняка в смеси более 10 % и находится в пределах 25,5 40,2 МПа.

Исследовано влияние пиритных огарков на прочностные характеристики вяжущего при его вводе в сырьевую смесь. Результаты показывают, что прочность образцов с добавлением в вяжущее 30 % пиритных огарков увеличилась в 1,821,84 раза по сравнению с прочностью вяжущего без пиритных огарков. Исследована структура образцов вяжущего, как без пиритных огарков, так и с их добавлением. В образцах с пиритными огарками обнаружены новообразования, сшивающие частицы и агрегаты известняка и безводной силикат-натриевой связки. Разработано комплексное механоактивированное силикат-натриевое вяжущее. Экспериментально показано, что оптимальный состав вяжущего должен включать механоактивированную смесь силикат-глыбы, известняка и пиритных огарков, взятых в соотношении 1:1:1 (по массе). При этом предел прочности при сжатии полученного вяжущего составляет 55,057,4 МПа в зависимости от вида известняка.

Проведен экспериментальный подбор составов мелкозернистого бетона на основе комплексного механоактивированного силикат-натриевого вяжущего и известнякового сырья. Показано, что оптимальное количество комплексного вяжущего в смеси составляет 30 40 %, при этом расход силикат-глыбы в сырьевой смеси - 10 13,3 %. Предел прочности образцов оптимального состава составляет 44,0 44,5 МПа. Получена математическая зависимость предела прочности образцов карбонатных материалов от уровня механоактивации, расхода комплексного вяжущего, соотношения компонентов в вяжущем, которую можно использовать для расчета состава сырьевой смеси.

Разработана технология производства лицевого кирпича на основе известнякового вторичного сырья камнедобычи и комплексного механоактивированного силикат-натриевого вяжущего. Проведены опытно-промышленные испытания технологического процесса изготовления карбонатного кирпича на комплексном механоактивированном силикат-натриевом вяжущем и показано, что по разработанной технологии можно получить кирпич М 250, удовлетворяющий требованиям ДСТУ Б В.2.7-7-94. В результате создания опытно-промышленного производства лицевого кирпича на основе попутных продуктов Бештерекского месторождения мощностью 5 млн. штук условного кирпича в год экономический эффект составляет 631,4 тис. грн. в год, сокращение экономического ущерба, наносимого окружающей среде - 172,0 тис. грн.

Ключевые слова: механоактивация, физико-химические свойства, силикат-глыба, вторичное карбонатное сырье, пиритные огарки, силикат-натриевое вяжущее, карбонатный стеновой материал.

ANNOTATION

Luckjanchenko M. A. Wall Carbonate Materials with a Complex Mechanic-activated Silicate Natron Binder. - Manuscript.

These is dissertation for the competition of scientific degree of candidate of technique science. Specialty 05.23.05 - Building materials and articles. National academy of Nature Protection and Resort Building Development, Simferopol, 2005.

The thesis deals with theoretical and experimental substantiation and working out wall building materials on the base of carbonate wastes complex mechano-activized silicate-natron binder. The influence of intensive mechanical affect on activation of complex binder, formation of the structure and properties of carbonate building materials is defined.

It is determined that joint activation of silicate block, pyrites wastes and carbonate wastes taken in proportion 1 : 1 : 1 gives the opportunity to obtain complex binder with the efficiency 55,0 ч 57,4 MPa due to intensification of physical-chemical process at hydration.

Wall building material with the strength contraction breaking point 44,0 ч 44,5 MPa was obtained on the base of complex silicate binder and lime raw material.

The technology of making carbonate facing bricks M 250 using complex mechenico-activized silicate-natron binder and lime raw material was working out and introduced at the scientific-industrial enterprise “Building and maintenance of underground constructions”.

Key words: mechano-activation, physical-chemical properties, silicate block, carbonate wastes, pyrites wastes, silicate-natron binder, wall carbonate bricks.

Размещено на Allbest.ru