Размещено на http://allbest.ru

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 666.19; 677.522; 691.3; 691.5

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЛУЖНІ БАЗАЛЬТовМІсні ЦЕМЕНТИ ТА БЕТОНИ НА ЇХ ОСНОВІ

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

ДЕЙНЕКО дмитро Євгенович

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному Науково-дослідному інституті в'яжучих речовин і матеріалів ім. В.Д. Глуховського Київського національного університету будівництва і архітектури.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Мохорт Микола Аркадійович, Державний науково-дослідний інститут в'яжучих речовин і матеріалів ім. В.Д. Глуховського Київського національного університету будівництва і архітектури, старший науковий співробітник

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор Саницький Мирослав Андрійович Інститут будівництва та інженерії довкілля Національного університету “Львівська політехніка”, директор

- кандидат технічних наук Шаршунов Анатолій Борисович Інститут гідротехніки і меліорації Української Академії аграрних наук, завідувач відділу діагностики та захисту гідротехнічних споруд

Провідна установа -Одеська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, м. Одеса, кафедра виробництва будівельних виробів і конструкцій

Захист відбудеться 15.02. 2006 р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 “Основи і 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 розіслано “13” січня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к. т. н.Г.Р. Блажіс

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. аналіз виробництва будівельних матеріалів показує, що подальший його розвиток має бути направлений на максимальне використання недефіцитних природних та техногенних продуктів, промислових відходів, а також розвиток ресурсозберігаючих технологій. Зниження витрат матеріальних, трудових, енергетичних та природних ресурсів у промислових процесах завжди було одним з найперспективніших напрямків розвитку науки та будівельного виробництва.

Пошук нових економічних в'яжучих систем, спроможних замінити традиційний портландцемент, є на сьогоднішній день однією з основних проблем будівельних матеріалів. З цього погляду особливий інтерес викликають сучасні в'яжучі системи, що розробляються в Державному науково-дослідному інституті в'яжучих речовин і матеріалів ім. В.Д. Глуховського.

Одним з найперспективніших напрямків досліджень є розвиток змішаних лужних цементів з використанням клінкерних в'яжучих систем та природного базальту або техногенного продукта його переробки, застосування якого дозволить підвищити рівень ресурсозбереження у будівельному виробництві, забезпечити високі будівельно-технічні властивості матеріалів та реалізувати ряд спеціальних властивостей портландцементних в'яжучих систем.

Актуальність роботи полягає в застосуванні природного базальту та техногенної сировини (відходу виробництва теплоізоляційних волокнистих матеріалів з базальту) для виготовлення високонаповнених цементів і будівельних матеріалів на їх основі з високими будівельно-технічними властивостями, це дозволить значно покращити показники ресурсозбереження, екологічні і економічні показники в будівельному виробництві за рахунок того, що базальт є місцевим сировинним компонентом і запаси такої сировини на території України практично невичерпані, а річний вихід техногенних відходів у вигляді недороздутого базальтового волокна та королька на одному лише ЗАТ “Теплозвукоізоляція” нараховує десятки тисяч тонн.

Передумовами для виконання представленої роботи є розроблена проф. Глуховським В.Д. наукова концепція щодо виявлення сполуками лужних металів гідравлічних властивостей, а також розроблені проф. Кривенко П.В. наукові основи управління процесами структуроутворення цементного каменю за рахунок направленого регулювання хіміко-мінералогічного складу сировинних сумішей, структурних і морфологічних характеристик дисперсної фази лужних цементів, а також виду аніону та катіону дисперсійного середовища (лужного компоненту).

Все вищезазначене дозволяє передбачити можливість отримання ефективних лужних базальтовмісних цементів на основі портландцементного клінкеру та базальтового компоненту скловидної або склокристалічної структури за умови розробки комплексних методів направленого управління складом дисперсної фази в'яжучої речовини.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності до держбюджетної теми Міністерства освіти і науки України 4ДБ-2002 “Встановлення фізико-хімічних закономірностей формування контактної зони, як основи підвищення довговічності композиційних матеріалів на лужних цементах” (2002-2004 рр., № державної реєстрації 0102U000930), та до теми за господарчим договором “Встановлення можливості утилізації відходів виробництва базальтового волокна за допомогою геоцементів” (2000 р., № реєстрації 9-00). В зазначених роботах автор виконував експериментальні дослідження та обробку отриманих результатів.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка лужних базальтовмісних цементів та бетонів на їх основі з підвищеними експлуатаційними властивостями.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- дослідити закономірність впливу співвідношення компонентів у мінеральній композиції складу “портландцементний клінкер - базальтовий компонент” та виду лужних компонентів, що відрізняються видом катіону та аніону, на процеси гідратації та активність в'яжучих систем, що містять:

природний базальт склокристалічної структури;

техногенний продукт переробки природного базальту склокристалічної структури (відхід виробництва теплоізоляційних виробів у вигляді недороздутого базальтового волокна скловидної структури);

- дослідити взаємозв'язок процесів формування фазового складу та структури композицій, гідратованих в умовах нормального тверднення, пропарювання та автоклавування з міцнісними властивостями штучного каменю;

- розробити та оптимізувати склади лужних базальтовмісних цементів у відповідності до технічних вимог для бездобавочних цементів;

- вивчити експлуатаційні властивості бетонів на основі розроблених цементів;

- провести дослідно-промислове впровадження розроблених складів бетону та відпрацювати основні етапи технології його виробництва, визначити ефективність від застосування розробленого матеріалу.

Об'єктом досліджень є змішані базальтовмісні лужні цементи на основі портландцементного клінкеру та природного базальту склокристалічної структури або техногенного продукту його переробки скловидної структури.

Предметом досліджень є процес направленого формування складу сировинних сумішей, що містять природний базальт склокристалічної структури або техногенний продукт його переробки скловидної структури, які забезпечують синтез структури та властивості цементів, що є характерним для лужних в'яжучих систем.

Методи досліджень. Експериментальні дослідження виконано за допомогою сучасних фізико-хімічних методів: диференційно-термічного, рентгенофазового аналізів та електронної мікроскопії. Визначення фізико-механічних та спеціальних властивостей штучного каменю (міцності при стиску та згині, морозостійкості, корозійної стійкості) проведено за традиційними методиками згідно діючих нормативних документів. Розрахунки та оптимізацію складів композиційних в'яжучих речовин та бетонів на їх основі проведено із застосуванням математичних методів планування експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів:

- встановлено взаємозв'язок між компонентним складом в'яжучих композицій у системі “портландцементний клінкер - базальтовий компонент - лужний компонент”, з міцністю та процесами їх структуроутворення. Показано, що незалежно від виду лужного компонента (Na₂СО₃, К₂СО₃, Na₂SO₄ і K₂SO₄) процеси формування структури штучного каменю проходять у напрямку синтезу в основному низькоосновних гідросилікатних та гідроалюмосилікатних сполук перемінного складу;

- встановлено, що вид лужного компоненту значно впливає на ступінь гідратації вихідних мінеральних фаз в'яжучої системи, формування фазового складу і міцнісних характеристик штучного каменю, при цьому міцність штучного каменю та ступінь гідратації підвищується в ряду K₂SO₄ Na₂SO₄ К₂СО₃ Na₂СО₃;

- встановлено вплив виду аніону лужних компонентів на процеси структуроутворення та синтез міцності штучного каменю. Показано, що присутність сульфат-аніонів сприяє більш глибокій гідратації кристалічних фаз в'яжучої системи, підвищеному ступеню кристалізації гідросилікатів кальцію та переважному синтезу гідрогранатних та цеолітоподібних фаз типу жисмондіну та сполук складу нозеану у порівнянні з лужними компонентами, аніон яких представлений СО₃², що сприяє формуванню в складі новоутворень в основному низькоосновних гідросилікатів кальцію з низьким ступенем кристалізації, кальциту та цеолітних сполук складу анальциму, жисмондіну та натроліту;

- визначено вплив виду базальтового компонента в досліджених в'яжучих системах на процеси формування структури та властивості штучного каменю. Враховуючи характер структуроутворення в різних умовах тверднення, відзначено, що на відміну від в'яжучих композицій, що містять техногенний продукт скловидної структури, в'яжучі композиції на основі природного базальту склокристалічної структури потребують обробки в умовах пропарювання та автоклавування, що забезпечує синтез цеолітних структур, а при твердненні в нормальних умовах природний базальт виконує роль кристалічних “підложок” для новоутворень, що синтезуються (гідросилікатів та гідрогранатів).

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено склади в'яжучих композицій на основі мінеральної системи “портландцементний клінкер - базальт - лужний компонент”, які залежно від структурних особливостей базальту та його вмісту в системі (50-64%) забезпечують отримання штучного каменю, міцність якого на 28 добу становить 45-67 МПа;

- розроблено методи направленої побудови та технологію отримання в'яжучих композицій із заданими властивостями залежно від виду та структури базальтового та густини лужного компонента, оптимізація складу виконана з використанням математичного методу планування експерименту;

- отримано важкий бетон міцністю при стиску на 28 добу 41-53 МПа та підвищеними корозійною стійкістю 0,92-1,07 та морозостійкістю F150-300.

Запропоновану технологію апробовано при випуску дослідної партії важкого бетону на основі лужного базальтовмісного цементу в промислових умовах на Київському об'єднанні “СПС АРСАДБУД”, що було застосовано для виготовлення підстильного шару в цеху з виробництва поризованої гуми. Використання бетону в якості підстильного шару дозволяє в 3 рази збільшити термін експлуатації підлоги (покриття) та в 2 рази зменшити собівартість загальнобудівельних робіт. Економічний ефект від впровадження розробленого базальтовмісного бетону на основі техногенного продукту скловидної структури становив 859,65 грн. або 34,4 грн. на 1 м³ бетону.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів та впровадженні розроблених матеріалів у виробництво. Особистий внесок здобувача в наукові роботи:

Із застосуванням математичних методів планування експерименту проведено оптимізацію складу лужних в'яжучих композицій із застосуванням техногенного продукту скловидної структури та базальту склокристалічної структури, визначено фізико-технічні характеристики [1, 10].

Показано можливість утилізації недороздутого базальтового волокна в складі лужного цементу [2, 3].

Встановлено принципову можливість отримання стінового каменю з використанням в'яжучої речовини на основі техногенного продукту скловидної структури [4].

Розроблено бетони, в яких як армуючий заповнювач використано техногенну сировину у вигляді недороздутого базальтового волокна та королька [11].

Встановлено оптимальні склади лужних базальтовмісних в'яжучих композицій та бетонів на їх основі [5, 6].

Досліджено морозостійкість бетонів на основі лужних базальтовмісних в'яжучих композицій [7].

Досліджено взаємозв'язок між компонентним складом, умовами тверднення, фазовим складом продуктів гідратації лужних в'яжучих композицій на основі техногенного продукту скловидної структури та властивостями штучного каменю в умовах довготривалого тверднення [8].

Досліджено фізико-механічні характеристики та довговічність базальтовмісних лужних в'яжучих композицій та бетонів на їх основі [9].

Оптимізовано склади лужних базальтовмісних цементів та бетонів на їх основі, а також технологічні параметри розроблених матеріалів [12].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були висвітлені на 61-й та 62-й науково-практичних конференціях КНУБА (2000-2001 рр.), міжнародній конференції “Композиционные материалы в промышленности” (Славполиком - 99, Київ, 1999 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы и пути реализации научно-технического потенциала ВПК” (Київ, 2000 р.), “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” (Рівне, 2001, 2003, 2004 рр.), Третій республіканській науково-технічній конференції “Індивідуальний житловий будинок” (Вінниця, 2001 р.), “Моделирование и оптимизация в материаловедении” (МОК'43, Одеса, 2004 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 друкованих робіт, в тому числі 7 - у наукових фахових виданнях, 1 - в наукових журналах та збірниках, 4 - у матеріалах та тезах доповідей вітчизняних та міжнародних конференцій та семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 154 сторінках друкованого тексту основної частини, яка складається зі вступу, п'яти розділів та висновків. Повний обсяг дисертації становить 154 сторінки і включає 14 таблиць, 35 рисунків, список використаних джерел зі 139 найменувань та 5 додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету досліджень, наукову новизну, практичну значимість та основні задачі, що розв'язані у роботі.

У першому розділі наведено огляд стану наукової інформації з напрямку теми, визначено теоретичні передумови досліджень та сформульовано наукову гіпотезу напрямку роботи.

Аналіз сучасних тенденцій розвитку будівельних матеріалів показує, що вирішення актуальної задачі покращення ефективності використання сировинних матеріалів доцільно реалізовувати шляхом заміни традиційного портландцементу на конкурентноспроможні в'яжучі композиції. Використання промислових відходів або більш доступної дешевої сировини природного походження, які на сьогоднішній день використовуються в виробництві будівельних матеріалів неналежним чином, дозволить підвищити продуктивність праці, знизити собівартість та покращити фізико-механічні та експлуатаційні властивості будівельних виробів, сприяючи загальному ресурсозбереженню як на стадії виробництва, так і на стадії експлуатації матеріалів.

Найефективнішими серед в'яжучих речовин, враховуючи економічні, технологічні та функціональні переваги, є змішані в'яжучі системи та бетони на основі традиційного портландцементу і пуцоланових добавок, але очевидними їх недоліками є знижені міцнісні характеристики та обмежена галузь використання в порівнянні з бездобавочними портландцементами.

Вирішення цих проблем можливе за рахунок застосування лужних в'яжучих композицій та бетонів, міцнісні характеристики, багатоцільове призначення і довговічність яких обумовлені специфікою процесів їх структуроутворення, направленого на формування в складі новоутворень поряд з низькоосновними гідросилікатами кальцію цеолітоподібних сполук. На основі визначення ролі лугів у процесах структуроутворення породоутворюючих мінеральних систем такі в'яжучі композиції запропоновані проф. В.Д. Глуховським та широко розглянуті в роботах багатьох вчених, провідними з яких є наукові праці П.В. Кривенка, Р.Ф. Рунової, Г.С. Ростовської, Ж.В. Скурчинської, В.П. Ільїна, К.К. Пушкарьової, В.А. Матвієнка, В.А. Ракши, О.Г. Гелевери, В.В. Чиркової, Т.В. Пляшечникової, Т.Г. Шевчук, Г.Р. Блажіс, О.М. Петропавловського, Т.В. Тарасової, М.А. Мохорта, К. Мунзера, Ю. Фунді та ін., а згодом розглянуті також в роботах представників інших наукових шкіл Росії, Японії, Китаю, Німеччини, Фінляндії, Польщі, Болгарії, Швеції, Канади, Нідерландів, Чехії, Словаччини.

Розвиток фізико-хімічних основ управління процесами структуроутворення таких в'яжучих систем дозволив запропонувати лужні портландцементи, в основу створення яких покладено розроблені науковою школою ДНДІВМ наукові основи направленої композиційної побудови лужних мінеральних в'яжучих систем, що забезпечують формування певних новоутворень і структури, які, в свою чергу, визначають необхідні властивості синтезованого штучного каменю - високу міцність, морозостійкість, довговічність тощо.

Значний інтерес у напрямку наукових розробок представляють дослідження в галузі отримання змішаних лужних портландцементів, які за своїми характеристиками не тільки не поступаються традиційному бездобавочному портландцементу, але й мають ряд переваг, обумовлених, завдяки використанню лугів, особливостями їх структуроутворення. З цієї точки зору, як компонент у вищеназваних змішаних в'яжучих системах можуть використовуватись шлаки, золи, польовошпатні породи, інтрузивні та ефузивні гірські породи, зокрема, природний базальт, а також техногенні продукти його переробки - скловидні відходи виробництва теплоізоляційних виробів у вигляді недороздутого базальтового волокна, хімічний склад яких подібний до традиційних пуцолан.

Дослідженню властивостей лужних цементів, що містять природні та техногенні матеріали алюмосилікатного складу, у тому числі базальти, присвячено ряд робіт ДНДІВМ, в яких автори свідчать про перспективність використання таких матеріалів у складі шлаколужної в'яжучої системи та лужних змішаних портландцементів. У порівнянні з традиційними змішаними портландцементами, що містять пуцоланові добавки штучного або природного походження, кількість яких регламентована на рівні 20-30%, розробка лужних змішаних цементів дозволяє вводити до 40-50% таких добавок без значного зниження міцнісних характеристик, що підвищує ефективність такого напрямку розробок. Такі дослідження широко розвинені в системах на основі шлаколужних в'яжучих композицій, проте розробки лужних портландцементів, що містять природні та техногенні сполуки, охоплювали лише принципову можливість використання природного перліту, нефеліну, шлаків, зол, а інформації щодо використання базальтів у складі лужних портландцементів та науково обґрунтованих підходів до композиційної побудови таких цементів, які забезпечують високі експлуатаційні властивості, недостатньо, що стримує їх розвиток і впровадження у виробництво.

На основі аналізу відомої інформації, а також виходячи з хіміко-мінералогічного складу та структурних особливостей базальту (наявність скловидної або кристалічної фази), ролі лугів та солей лужних металів у формуванні структури та синтезі міцності в'яжучих речовин на основі широкого спектру скловидних та кристалічних сполук, в роботі висунута наукова гіпотеза про можливість створення лужних базальтовмісних цементів, які за активністю близькі до бездобавочних портландцементів, за рахунок направленого формування композиційного складу дисперсної фази в системі “портландцементний клінкер - базальт” при вмісті клінкеру не більше 50 мас. %, а також вибору лужного компонента, які забезпечують високий ступінь гідролітичної диспергації мінеральної складової та її конденсацію в стійкі водонерозчинні новоутворення типу низькоосновних гідросилікатів, гідроалюмосилікатів та цеолітоподібних сполук, які з часом викристалізовуються з гелевидної фази та обумовлюють високу міцність, довговічність та спеціальні властивості синтезованого штучного каменю.

У другому розділі наведено характеристики застосованих сировинних матеріалів та методів досліджень.

Як об'єкти дослідження фізико-хімічних процесів структуроутворення в'яжучих композицій для виготовлення лужного цементу та бетону на його основі було використано модельні системи складу Na₂O-СаО-Al₂O₃-SiO₂-H₂O, представлені лужними в'яжучими композиціями, які відрізнялись структурою алюмосилікатного компонента та видом лужного компонента.

Як сировинні матеріали застосовано портландцементний клінкер Ольшанського цементного заводу по ДСТУ Б В.2.7-46. Як алюмосилікатний компонент використовували дрібняк гірської породи з родовища Іванова Долина (Рівненська область, Україна), що є характерним представником середньов'язких базальтових гірських порід склокристалічної структури, та техногенний продукт його переробки в вигляді недороздутого базальтового волокна скловидної структури. Як лужні компоненти використовували водні розчини солей Na₂СО₃, К₂СО₃, Na₂SO₄ та K₂SO₄ густиною 1100-1180 кг/м³. Як добавку-пластифікатор використовували лігносульфонат натрію технічний (ЛСТ за ГОСТ 24211). Як дрібний заповнювач використовували дніпровський кварцовий пісок, що відповідає вимогам ДСТУ Б В.2.7-32, та крупний заповнювач - гранітний щебінь фракцій від 5 до 10 мм та від 10 до 20 мм за ДСТУ Б В.2.7-75.

В'яжучі композиції в співвідношенні 3:1, 1:1, 1:3 (портландцементний клінкер : базальт склокристалічної структури або техногенний продукт його переробки скловидної структури) готували сумісним помелом у кульовому млині до питомої поверхні 350-550 м²/кг за Блейном.

Підбір складу в'яжучих композицій та бетонів, виготовлення зразків та визначення їх властивостей проводили згідно діючих нормативних документів: міцність зразків при стиску та згині - за ГОСТ 10180, підбір складу бетону згідно вимог РСН 336, ГОСТ 26633 та ГОСТ 27006, корозійну стійкість бетону - за ГОСТ 25881, морозостійкість - за ДСТУ Б В.2.7-47 та ДСТУ Б В.2.7-48.

Розпалублені зразки витримували за одним з трьох режимів: автоклавування при надлишковому тиску 0,8 МПа та температурі 174С, пропарювання при температурі 80С; тверднення в нормальних умовах протягом 28 діб.

Склад новоутворень лужних в'яжучих композицій та продуктів їх дегідратації вивчали за допомогою рентгенофазового, диференційно-термічного аналізів та електронної мікроскопії.

За допомогою математичного моделювання для кожної з систем були побудовані діаграми залежності міцності зразків при стиску від обраних факторів (вміст базальту та кількість лужного компоненту) та визначені області максимальних значень міцності.

У третьому розділі наведено результати досліджень впливу вмісту базальту та виду лужного компонента на активність в'яжучої системи залежно від структури базальту та виду катіону та аніону лужного компонента, умов тверднення, а також їх взаємозв'язок із процесами структуроутворення.

В зв'язку з тим, що при введені лужних компонентів до складу таких систем у вигляді водних розчинів відбувається швидке тужавлення системи, до складу дисперсійного середовища вводили добавку-уповільнувач - лігносульфонат натрію технічний (ЛСТ), оптимальна кількість якої в перерахунку на суху речовину для всіх систем складала до 1% від маси в'яжучої речовини (клінкер + базальт).

Виявлено, що в розглянутій області вмісту базальту, незалежно від його структурної побудови, показники міцності підвищуються в ряду: K₂SO₄ Na₂SO₄ K₂CO₃ Na₂CO₃. При використанні техногенного продукту скловидної структури активність в'яжучої системи в тісті нормальної густоти становить 18-95 МПа, а при використанні базальту склокристалічної структури - 15-48 МПа. будівельний базальт цемент

Встановлено, що на відміну від в'яжучих систем, що містять техногенний продукт скловидної структури, використання базальту склокристалічної структури в межах 25-50% від вмісту портландцементного клінкеру не впливає значно на активність (міцність) в'яжучих композицій. Так, в області, що характеризує високий ступінь наповнення в'яжучої системи базальтовим компонентом склокристалічної структури (50 мас. %), міцність зразків становить 34-40 МПа, тоді як використання техногенного продукту скловидної структури забезпечує досягнення міцності штучного каменю в межах 40-60 МПа.

Аналізуючи результати наведених досліджень, треба відзначити, що в композиційній побудові в'яжучих систем, що містять базальтовий компонент та карбонатні або сульфатні солі лужних металів, можна виділити область вмісту базальту (50% від маси клінкерної складової), в якій міцнісні характеристики не тільки відповідають вимогам для портландцементних та шлаколужних в'яжучих композицій, але й перевищують їх. Тому подальші дослідження були направлені на визначення взаємозв'язку процесів структуроутворення і набуття міцнісних характеристик штучного каменю на основі високонаповнених базальтом (50% і більше) лужних цементів у залежності від структури базальтового та виду лужного компоненту, а також умов тверднення.

Дослідження взаємозв'язку процесів структуроутворення та набору міцності в'яжучих систем складу 50:50% “портландцементний клінкер - техногенний продукт скловидної структури - лужний компонент” показує, що в присутності Na₂CО₃, К₂СО₃, Na₂SO₄, K₂SO₄ процеси формування структури штучного каменю протікають в основному в напрямку синтезу низькоосновних гідросилікатів кальцію тоберморитової групи CSH(I) (d=0,305; 0,278; 0,182 нм), афвіліту 3CaO·2SiO₂·3H₂O (d=0,64; 0,578; 0,393; 0,370; 0,329; 0,305; 0,274 нм), гілебрандіту 2CaO·SiO₂·H₂O (d=0,405; 0,352; 0,334; 0,292; 0,237 нм), ксоноліту 6CaO·6SiO₂·H₂O (d=0,307; 0,204; 0,195; 0,1756; 0,165; 0,157 нм), а також цеолітоподібних новоутворень - жисмондіну 3CaО·Al₂О₃·4SiO₂·4H₂O (d=0,480; 0,448; 0,426; 0,30; 0,292; 0,261 нм), калієвого натроліту K₂О·Al₂О₃·3SiО₂·2H₂O (d=0,58; 0,45; 0,38; 0,339 нм), анальциму Na₂O·Al₂О₃·4SiО₂·H₂O (d=0,560; 0,390; 0,343; 0,337; 0,305; 0,273; 0,247; 0,174 нм), гідрогранату 3CaО·Al₂О₃·1,6SiO₂·2,8H₂O (d=0,337; 0,305; 0,273; 0,247 нм)

Встановлено, що як катіон, так и аніон лужного компоненту суттєво впливають на ступінь гідратації мінеральних фаз дисперсій, формування фазового складу та міцнісні характеристики штучного каменю. При цьому міцність штучного каменю, ступінь гідратації базальтового компоненту і формування низькоосновних гідросилікатних сполук та цеолітів у складі тверднучої в'яжучої системи підвищується в ряду: K₂SO₄ Na₂SO₄ К₂СО₃ Na₂CО₃. Це підтверджується аналізом втрати маси в'яжучих композицій на ДТГ-кривих. Так, кількість видаленої води в в'яжучих композиціях зменшується в ряду Na₂CО₃ К₂СО₃ Na₂SO₄ K₂SO₄ (відповідно 7,7; 7,3; 6,5; 5,9 мас. %).

Аналіз мікроструктури штучного каменю на основі мінеральної системи “портландцементний клінкер - техногенний продукт скловидної структури” та карбонатних або сульфатних сполук натрію показує наявність крупноблочної щільно компонованої структури каменю. Новоутворення мають неправильну форму, що характерно для кальцієвих гідросилікатів з низьким ступенем упорядкованості структури та тобермориту, які знаходяться в субмікрокристалічному стані.

Це сприяє кращому зчепленню часток між собою і підвищенню їх щільності, що позитивно впливає на міцність зразків досліджених матеріалів, яка знаходиться в межах 35-60 МПа. Дослідження активності та процесів формування фазового складу та структури розглянутих в'яжучих систем в умовах пропарювання та автоклавування свідчить, що протікання процесів має ті самі риси, як і при твердненні в'яжучих композицій у нормальних температурно-вологісних умовах.

При цьому формування фазового складу і міцності штучного каменю в умовах пропарювання та автоклавування характеризується більш глибоким проходженням процесів гідратації та ступенем упорядкованості синтезованих структур, при цьому міцність зразків в'яжучих композицій становить 40-95 МПа.

Аналіз взаємозв'язку процесів структуроутворення та міцності штучного каменю в системі “портландцементний клінкер - базальт склокристалічної структури - лужний компонент” свідчить про наявність у структурі каменю, що тверднув у нормальних умовах, блочних новоутворень у вигляді розрізнених округлих сферолітоподібних “острівців” та пластинчатих утворень, розміри і кількість яких дозволяють судити про знижений ступінь гідратації в'яжучої композиції і неоднорідності синтезованої структури (у порівнянні зі зразками, що містять техногенний продукт скловидної структури).

Це відображується на міцності штучного каменю, яка знаходиться у межах 27-37 МПа.

Аналіз фазового складу і структури зазначених в'яжучих систем, що тверднули в умовах пропарювання та автоклавування, свідчить про проходження реакцій, пов'язаних практично з повною перебудовою кристалічної фази природного базальту. Про це свідчить повне зникнення дифракційних максимумів, характерних для кристалічних сполук природного базальту, альбіту Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂ (d=0,255; 0,205; 0,164 нм) та анортиту CaO·Al₂O₃·SiO₂ (d=0,368; 0,184; 0,166 нм), а також підвищення міцності зразків до 35-44 МПа.

Встановлено вплив структурних особливостей базальту склокристалічної структури на процеси структуроутворення. Визначено, що процеси формування структури штучного каменю протікають в основному в напрямку синтезу низькоосновних гідросилікатів кальцію тоберморитової групи CSH(I) (d=0,3066; 0,280; 0,182 нм), 2CaO·SiO₂·(0,26-1)H₂O--гідрату С₂S (d=0,382; 0,270; 0,247; 0,189 нм), гироліту 2CaO·3SiO₂·2H₂O (d=0,46; 0,42; 0,38; 0,336; 0,244; 0,229; 0,206; 0,181 нм), тоберморитового гелю (d=0,304; 0,278; 0,182 нм), а також цеолітоподібних сполук - анальциму Na₂O·Al₂O₃·4SiO₂·H₂O (d=0,56; 0,343; 0,293; 0,22; 0,190 нм), кальцієвого цеоліту жисмондіну 3CaО·Al₂О₃·4SiO₂·4H₂O (d=0,74; 0,49; 0,422; 0,328; 0,273 нм), шабазиту (d=0,431; 0,357; 0260; 0,228 нм), гідрогранату 3CaO·Al₂O₃·1,6SiO₂·2,8H₂O (d=0,272; 0,252; 0,187; 0,164 нм), наявність дифракційних максимумів на РФА-кривих свідчить про неповну перебудову калієвого натроліту K₂О·Al₂О₃·3SiО₂·2H₂O (d=7,03; 0,453; 0,330; 0,252 нм) на відміну від анальцимподібних сполук, які формуються в структурі каменю, що містить техногенний продукт скловидної структури.

Визначено, що тип катіону лужного компоненту впливає на ступінь упорядкування структури (закристалізованість) гідросилікатних фаз системи, підвищуючи її при переході від Na⁺ до К⁺, а також на їх основність, знижуючи останню при переході від К⁺ до Na⁺. Також встановлено, що зміна катіону лужного компонента в напрямку К⁺ Na⁺ сприяє формуванню мікроструктури каменю з підвищеною однорідністю і дисперсністю новоутворень.

Роль типу аніону лужного компонента полягає в регулюванні швидкості гідратації і спрямованості синтезу новоутворень цеолітового ряду з формуванням карбонатних сполук у випадку використання карбонатних солей, та сульфатних у випадку використання сульфатів натрію та калію.

Генезис фазового складу і структури штучного каменю, що містять техногенний продукт скловидної структури, після 4 років тверднення розвивається в напрямку зміни основності гідросилікатних новоутворень і перерозподілу вмісту фаз гідросилікатного і гідроалюмосилікатного складу в бік підвищення кількості останніх. Такий розвиток процесів структуроутворення сприяє синтезу високої міцності (75 МПа) такого штучного каменю.

Узагальнюючи зазначені процеси формування фазового складу, структури та міцнісних характеристик досліджених в'яжучих систем, можна з упевненістю сказати, що структуроутворення та синтез властивостей розглянутих в'яжучих композицій відповідає основним закономірностям, які є характерними для лужних в'яжучих систем, але відрізняються формуванням дрібнодисперсних структуроутворюючих сполук, а також синтезом у продуктах гідратації поряд з гідросилікатними фазами також лужних та змішаних лужно-лужноземельних гідроалюмосилікатних сполук.

Четвертий розділ присвячений розробці та оптимізації складів базальтовмісних в'яжучих композицій та бетонів на їх основі, а також дослідженню їх властивостей.

В проведених за допомогою математичного планування експерименту дослідженнях з оптимізації складу в'яжучих композицій з високим вмістом базальтового компонента різної структури розглянуто зміну міцностних характеристик в'яжучих композицій складу 1:3 (в'яжуча речовина : пісок), в яких вміст техногенного продукту скловидної структури та базальту склокристалічної структури змінювали в межах значень 50-75 мас. %, а густину водних розчинів лугів - в межах 1100-1180 кг/м³.

Аналіз побудованих діаграм дозволяє зазначити, що область оптимальних складів в'яжучих композицій, які представляють практичний інтерес, досягається при вмісті базальту склокристалічної структури - 50-61 мас. % та густині розчину сульфату натрію - 1110-1135 кг/м³, карбоната натрію - 1170-1180 кг/м³, що дозволяє отримувати штучний камінь, міцність при стиску якого знаходиться в межах значень 30-40 МПа та 20-38 МПа.

При зміні алюмосилікатного компоненту область оптимальних складів в'яжучих композицій, які представляють практичний інтерес, досягається при вмісті техногенного продукту скловидної структури - 50-64 мас. % та густині розчину лужного компонента сульфата натрію - 1100-1140 кг/м³, карбоната натрію - 1160-1180 кг/м³.

Це дозволяє отримувати штучний камінь, міцність при стиску якого знаходиться в межах значень 36-52 МПа та 31-47 МПа .

Оптимізовано технологічні параметри виготовлення дисперсної фази в'яжучих систем та встановлено, що зміна питомої поверхні з 350 м²/кг до 550 м²/кг за Блейном дозволяє підвищити міцнісні характеристики штучного каменю на 16-20%. Встановлено, що оптимальною є питома поверхня 450 м²/кг за Блейном.

Визначено основні фізико-технічні характеристики оптимізованих складів цементів та показано, що терміни їх тужавлення знаходяться в межах: початок - 50 хв. - 1 год. 15 хв., кінець - 1 год. 55 хв. - 3 год. 45 хв., що задовольняє вимогам ДСТУ Б В.2.7-46 для традиційного портландцементу, а міцність на 28 добу за ГОСТ 310.4-81 становить 49-53 МПа.

Аналіз зміни міцності розроблених цементів показує, що на протязі 4 років незалежно від виду лужного компонента і структури базальту міцність зразків постійно зростає і перевищує в середньому на 15-35% міцність зразків на основі традиційного портландцементу М400.

Таблиця 1

Фізико-механічні властивості бетонів

Склад вґяжучої речовини	Вид лужного компонента	Середня густина бетону, кг/м3	Міцність зразків, МПа, після
			пропарювання	28 діб нормального тверднення
лужний портландцемент з використанням базальту склокристалічної структури	Na2SО4	2450	35	41
	Na2СО3	2400	36	41
лужний портландцемент з використанням техногенного продукту скловидної структури	Na2SО4	2460	38	43
	Na2СО3	2410	47	53
портландцемент М400	вода	2380	37	43

Встановлено, що при вмісті цементу в складі бетонів 400 кг/м³ (табл. 1) зразки на 28 добу характеризуються міцністю при стиску в межах значень 41-53 МПа, морозостійкістю F150-300, коефіцієнтом корозійної стійкості 0,92-1,07.

В п'ятому розділі наведено технологічні вимоги до виготовлення важкого бетону, а також результати його дослідно-промислового впровадження .

Розроблений бетон виготовляли за технологічною схемою, яка включає сумісний помел в'яжучої речовини складу 1:1 (портландцементний клінкер + техногенний продукт скловидної структури) до питомої поверхні 450 м²/кг за Блейном, приготування лужного розчину із введенням до нього добавки ЛСТ, змішування всіх інгредієнтів бетонної суміші та подачу в кількості 1,5 м³ на пост формування.

Виготовлений бетон використовували як підстильний шар під керамічне покриття в цеху з виробництва поризованої гуми на Київському промисловому об'єднанні “СПС АРСАДБУД” (загальна площа 25 м²).

Після 18 місяців та 3,5 років експлуатації не виявлено деформування або інших ознак руйнування підстильного шару, що підтверджує можливість використання запропонованого складу бетону на основі лужного цементу з використанням техногенного продукту скловидної структури як альтернативу бетонам на основі традиційного та пуцоланового портландцементу. Економічний ефект від впровадження розробленого базальтовмісного бетону на основі техногенного продукту скловидної структури становив 859,65 грн. або 34,4 грн. на 1м³ бетону.

ВИСНОВКИ

1. Теоретично обґрунтована та експериментально підтверджена можливість отримання ефективних лужних базальтовмісних цементів та бетонів на їх основі за рахунок направленого формування структури в'яжучих композицій залежно від виду базальтового компоненту.

2. Встановлено взаємозв'язок впливу структурних характеристик базальтової сировини та виду лужного компоненту на процеси гідратації та синтез міцності в'яжучих композицій в системі “портландцементний клінкер - базальтовий компонент - лужний компонент”. Визначено, що в присутності сполук Na₂CО₃, К₂СО₃, Na₂SO₄ та K₂SO₄ процеси формування структури штучного каменю відбуваються в напрямку синтезу низькоосновних гідросилікатних сполук, гідрогранатних фаз та цеолітоподібних сполук. Показано, що міцність штучного каменю, ступінь гідратації, формування низькоосновних гідросилікатних сполук та цеолітоподібних фаз у складі в'яжучих систем збільшується залежно від структури базальтового компонента в ряду: техногенний продукт переробки скловидної структури базальт склокристалічної структури та виду катіону та аніону лужного компонента в напрямку K₂SO₄ Na₂SO₄ К₂СО₃ Na₂CО₃.

3. Встановлено, що присутність сульфат-аніонів сприяє розвитку структури в'яжучих композицій на 28 добу з низьким ступенем однорідності та щільності в зв'язку з тим, що в структурі каменю значно переважає кристалічна гідратна фаза гідросилікатного та гідрогранатного складу, присутність же карбонатних сполук навпаки сприяє утворенню більш однорідної структури з переважною кількістю низькоосновних гідросилікатів кальцію з різним ступенем упорядкування структури та сполук цеолітового ряду, що виявляється в різниці міцнісних характеристик синтезованого штучного каменю.

4. Встановлено, що незалежно від виду аніону лужного компонента вид катіону впливає на ступінь упорядкування структури гідросилікатних фаз, підвищуючи його при переході від Na⁺ до К⁺, а також на основність фаз, що утворюються, та навпаки знижує його при переході від К⁺ до Na⁺, при цьому зміна катіону в напрямку К⁺ Na⁺ сприяє формуванню мікроструктури каменю з підвищеною однорідністю та дисперсністю новоутворень, які забезпечують високі показники міцності синтезованого штучного каменю.

5. Показано, що в розглянутій системі “портландцементний клінкер - базальтовий компонент - лужний компонент”, де кількість базальту знаходиться в області високого наповнення в складі в'яжучих композицій (50 мас. % і більше), міцність штучного каменю після тверднення в нормальних умовах знаходиться в межах 38-56 МПа залежно від виду лужного компонента. Такі значення міцності характерні для шлаколужних в'яжучих композицій та в'яжучих композицій на основі традиційного портландцементу.

6. Встановлено, що розвиток структуроутворюючих процесів досліджених в'яжучих композицій з часом забезпечує стабільний та інтенсивний набір міцності. Генезис фазового складу і структури штучного каменю, що містять природний базальт склокристалічної структури та техногенний продукт його переробки скловидної структури, після 4 років тверднення розвивається в напрямку зміни основності гідросилікатних новоутворень і перерозподілу вмісту фаз гідросилікатного і гідроалюмосилікатного складу в бік підвищення кількості останніх. Такий розвиток процесів структуроутворення сприяє високій міцності штучного каменю, яка знаходиться в межах 57-95 МПа.

7. Оптимізовано склади в'яжучих композицій на основі природного базальту склокристалічної структури та техногенного продукту його переробки скловидної структури показники міцності яких після тверднення в нормальних умовах знаходяться в межах 20-40 МПа та 31-52 МПа. Показано, що область оптимальних складів розроблених в'яжучих композицій, які представляють практичний інтерес, досягається при вмісті базальту склокристалічної структури - 50-61 мас. % та густині розчину сульфата натрію - 1110-1135 кг/м³, карбоната натрію - 1170-1180 кг/м³ та 50-64 мас. % при вмісті техногенного продукту скловидної структури та густині розчину лужного компонента сульфата натрію - 1100-1140 кг/м³ , карбоната натрію - 1160-1180 кг/м³. При цьому терміни тужавлення в'яжучих композицій, що містять базальт склокристалічної структури, знаходяться в межах: початок - 50 хв. - 1 год. 15 хв., кінець - 1 год. 55 хв. - 3 год. 45 хв., що задовольняє вимогам ДСТУ Б В.2.7-46 для традиційного портландцементу.

8. Доведено, що на протязі всього періоду досліджень міцність лужних базальтовмісних в'яжучих композицій постійно зростає без різких коливань і після 4 років випробувань переважає на 26-35% міцність зразків на основі традиційного портландцементу.

9. Розроблено бетони на основі лужних базальтовмісних цементів, міцність при стиску яких на 28 добу становить 41-53 МПа, марка за морозостійкістю F150-F300, коефіцієнт корозійної стійкості 0,92-1,07.

10. Ґрунтуючись на результатах проведених досліджень, розроблено технологію виготовлення лужних базальтовмісних цементів та важких бетонів на їх основі. Проведено дослідно-промислове впровадження розробленого бетону з використанням у складі в'яжучої речовини техногенного продукту скловидної структури на Київському об'єднанні “СПС АРСАДБУД”, який використовували як підстильний шар в цеху з виробництва поризованої гуми.

Економічний ефект від впровадження розробленого базальтовмісного бетону на основі техногенного продукту скловидної структури становив 859,65 грн. або 34,4 грн. на 1м³ бетону.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО У ПРАЦЯХ

1. Мохорт М.А., Дейнеко Д.Є. Математичне моделювання композиційних конструкційних матеріалів з використанням відходів виробництва базальтового волокна // Будівництво України. - 1999. - № 6. - С. 42-45.

2. Мохорт М.А., Дейнеко Д.Є. Шляхи утилізації мінеральних волокнистих відходів // Тез. докл. “Композиционные материалы в промышленности” (Славполиком-99). - К.: - 1999. - С. 117-118.

3. Мохорт М.А., Дейнеко Д.Є. Утилизация отходов производства базальтового волокна в геоцементных композиционных материалах // Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. “Проблемы и пути реализации науч.-техн. потенциала ВПК”, 15-17 марта 2000. - С. 113-114.

4. Мохорт Н.А., Дейнеко Д.Е. Стеновой камень для малоэтажного строительства на основе отхода производства базальтового супертонкого волокна и щелочного портландцемента // Конструкции гражданских зданий: Сб. науч. тр. - К.: КиевЗНИИЭП. - 2001. - С. 202-204.

5. Дейнеко Д.Е., Мохорт Н.А. Щелочной портландцемент с добавкой природного базальта // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. пр. - Рівне: РДТУ. - 2001. - вип. 6. - С. 31-35.

6. Дейнеко Д.Е. Щелочные цементы, модифицированные базальтом, и бетоны на их основе // Індивідуальний житловий будинок: Сб. науч. тр. - Вінниця. - 2001. - С. 60-63.

7. Дейнеко Д.Е. Исследование морозостойкости бетонов на основе щелочных пуццолановых вяжущих, модифицированных базальтом // Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка: Зб. наук. пр. - К.: Знання, 2002. - вип. 17. - С. 75-78.

8. Мохорт Н.А., Дейнеко Д.Е. Щелочной пуццолановый портландцемент, модифицированный базальтом стекловидной структуры // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. пр. - Рівне: РДТУ. - 2003. - вип. 9. - С. 79-84.

9. Мохорт Н.А., Дейнеко Д.Е. Исследование долговечности искусственного камня на основе щелочных вяжущих с добавкой базальта // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. пр. - Рівне: РДТУ. - 2003. - вип. 10. - С. 62-68.

10. Мохорт Н.А., Дейнеко Д.Е. Оптимизация составов композиционных конструкционных материалов на основе базальта // Труды междунар. науч.- практ. конф. “Моделирование и оптимизация в материаловедении (МОК'43)”. - Одесса: - 2004. - С. 32-35.

11. Мохорт Н.А., Дейнеко Д.Е. Использование природного базальта и отходов производства базальтовых волокон при получении экологически чистых конкурентноспособных вяжущих и бетонов// Труды науч. конф. “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди”. - Рівне: РДТУ. - 2004. - вип. 11. - С. 80-87.

12. Мохорт М.А., Дейнеко Д.Є. Композиційні конструкційні матеріали на основі геоцементів та базальтових наповнювачів // Строительные материалы и изделия. - 2004. - № 3. - С. 17-21.

АНОТАЦІЯ

Дейнеко Д.Є. Лужні базальтовмісні цементи та бетони 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 і архітектури Міністерства освіти і науки України, Київ, 2006.

Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено можливість отримання лужних базальтовмісних в'яжучих композицій. Встановлено взаємозв'язок між компонентним складом в'яжучих композицій, умовами тверднення та властивостями розроблених матеріалів. Оптимізовано склади в'яжучих композицій залежно від виду базальтового та лужного компонентів. Отримано важкі бетони на основі лужних базальтовмісних цементів, міцність при стиску яких на 28 добу нормального тверднення становить 41-53 МПа, марка за морозостійкістю F150-300 та коефіцієнт корозійної стійкості в межах 0,92-1,07. Запропоновано технологію виготовлення важкого бетону на основі лужного базальтовмісного цементу. Економічний ефект від впровадження розробленого базальтовмісного бетону на основі техногенного продукту скловидної структури становив 859,65 грн. або 34,4 грн. на 1м³ бетону.

Ключові слова: лужний базальтовмісний цемент, бетон, структуроутворення, морозостійкість.

АННОТАЦИЯ

Дейнеко Д.Е. Щелочные базальтосодержащие цементы и бетоны 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, 2006.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения щелочных базальтосодержащих вяжущих.

Исследована взаимосвязь между компонентным составом вяжущих, условиями твердения, фазовым составом новообразований и свойствами искусственного камня. Показано, что высокие физико-механические свойства таких цементов и бетонов связаны с особенностью процессов структурообразования при гидратации и твердении исследованных систем, обусловленных синтезом в составе продуктов твердения наряду с низкоосновными гидросиликатами также гидроалюмосиликатов цеолитового и гидрогранатного ряда, характерных при синтезе свойств для щелочных вяжущих систем.

Разработаны составы щелочных вяжущих композиций в системах “портландцементный клинкер - стеклокристаллический базальт - щелочесодержащий компонент” и “портландцементный клинкер - техногенный продукт переработки стекловидной структуры - щелочесодержащий компонент”, обеспечивающие получение искусственного камня с высокими эксплуатационными свойствами: прочностью при сжатии после автоклавной обработки - до 50 и 95 МПа, пропаривания - до 45 МПа и 80 МПа, твердения в нормальних условиях - до 46 МПа и 88 МПа, соответственно.

Оптимизированы составы щелочных базальтосодержащих цементов.

Получены тяжелые бетоны на основе щелочных базальтосодержащих цементов, прочность которых в возрасте 28 суток составляет 41-53 МПа, марка по морозостойкости F150-300, коэффициент коррозионной стойкости 0,92-1,07.

Проведено опытно-промышленное внедрение тяжелого бетона на основе разработанного щелочного базальтосодержащего цемента в качестве подстилающего слоя в цехе по производству поризованной резины на Киевском производственном объединении “СПС АРСАДБУД” по предложенной автором технологии.

Экономический эффект от внедрения разработанного базальтсодержащего бетона на основе техногенного продукта стекловидной структуры составил 859,65 грн. или 34,4 грн. на 1м³ бетона.

Ключевые слова: щелочной базальтсодержащий цемент, бетон, структурообразование, морозостойкость.

...