Газобетон на в’яжучому, яке модифіковано техногенними продуктами збагачення ільменітових руд

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ»

05.23.05 - Будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Газобетон на в'яжучому, яке модифіковано техногенними продуктами збагачення ільменітових руд

Маляр Дмитро Олегович

Дніпропетровськ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному вищому навчальному закладі «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Приходько Анатолій Петрович,

Державний вищий навчальний заклад

«Придніпровська державна академія будівництва

та архітектури», проректор з науково-педагогічної

та учбово-виховної роботи, завідувач кафедри

технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Шишкін Олександр Олексійович, Криворізький технічний університет, завідувач кафедри технології будівельних виробів, матеріалів та конструкцій;

кандидат технічних наук, доцент Мартинов Володимир Іванович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, доцент кафедри виробництва будівельних виробів та конструкцій.

Захист відбудеться «19» жовтня 2011 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 Державного вищого навчального закладу «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури» за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а, ауд. 202.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного вищого навчального закладу «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури» за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а.

Автореферат розісланий 17 вересня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Т. С. Кравчуновська

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток сучасних будівельних технологій в Україні спрямований на розробку ефективних матеріалів, використання яких дозволяє скоротити енерговитрати. В умовах енергозбереження теплозахисні властивості будівельних матеріалів мають першорядне значення.

Одним з таких матеріалів є газобетон, який успішно використовується в усьому світі і зараз починає все більше використовуватися в Україні. Завдяки унікальному поєднанню низьких показників щільності, коефіцієнту теплопровідності та достатнім показникам міцності цей матеріал є перспективним для використання його в огороджуючих конструкціях. Традиційно в газобетоні використовують цементно-вапняне в'яжуче.

З метою покращення фізико-механічних властивостей матеріалу до складу в'яжучого, яке використовується в газобетоні, вводяться різні добавки або техногенні відходи виробництва. В останні роки все ширше в технології бетонних, залізобетонних виробів та при виробництві сухих будівельних сумішей використовують таку добавку як метакаолін, яку отримують шляхом термообробки природних каолінів.

Широко відомі роботи Р.Ф. Рунової, Л.Й. Дворкіна, П.В. Кривенка,

М.А. Саницького з використання метакаоліна в бетонах спецпризначення, сухих будівельних сумішах та модифікованих композиційних в'яжучих. Однак, до цього часу ця ефективна добавка в ніздрюватих бетонах широкого призначення не використовувалася, внаслідок недостатнього об'єму досліджень. Тому дослідження впливу метакаоліну на властивості газобетону є актуальною темою. Одним із джерел для отримання цієї добавки мають бути багатотоннажні шлами техногенних продуктів збагачення ільменітових руд. Використання цієї добавки в газобетоні дозволить покращити структурні та міцнісні характеристики матеріалу, знизити собівартість виробів та покращити екологічні умови.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота є актуальною, оскільки спрямована на покращення основних властивостей газобетону за рахунок введення до сировинного складу техногенних продуктів збагачення ільменітових руд.

Дисертація виконана згідно з напрямом наукової роботи кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій Державного вищого навчального закладу «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури», відповідно до науково-дослідних робіт: «Розробка нових ефективних будівельних матеріалів та виробів на основі вторинних продуктів різних галузей народного господарства» (державний реєстраційний № 0104U000238); «Розробка енергозберігаючих технологій будівельних матеріалів та виробів на основі вторинних матеріальних ресурсів» (державний реєстраційний № 0106U002023), які сприяють виконанню розробленого проекту державної програми «Розвиток виробництва ніздрюватобетонних виробів та їх використання у масовому будівництві України на 2005-2011 роки». Рівень участі дисертанта - виконавець.

Мета та завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є вдосконалення наукових основ виробництва стінових матеріалів із газобетону з покращеними міцнісними та структурними властивостями при використанні у його складі метакаоліновмісного модифікатора, отриманого з техногенних продуктів збагачення ільменітових руд.

Для досягнення заданої мети необхідно вирішення наступних завдань:

- провести аналіз раніше зроблених дослідів по використанню метакаоліну в бетонах і розчинах з метою розробки теоретичних передумов для удосконалення технології газобетону;

- дослідити умови отримання метакаоліновмісної добавки із шламів збагачення ільменітових руд;

- дослідити вплив добавки на міцнісні та технологічні властивості модифікованого в'яжучого в газобетоні;

- розробити раціональні склади газобетону на модифікованому в'яжучому; метакаолін газобетон в'яжучий ільменітовий

- дослідити вплив модифікатора на процеси структуроутворення та твердіння автоклавного газобетону;

- визначити основні фізико-механічні властивості газобетону на модифікованому в'яжучому;

- провести дослідно-промислову перевірку отриманих результатів та дати оцінку техніко-економічній ефективності використання метакаоліновмісної добавки із шламів збагачення ільменітових руд в газобетоні.

Об'єкт дослідження - процеси структуроутворення та їх вплив на фізико-механічні властивості газобетону на модифікованому в'яжучому з використанням техногенних продуктів збагачення ільменітових руд.

Предмет дослідження - газобетон на в'яжучому, модифікованому метакаоліновмісною добавкою, отриманою з техногенних продуктів збагачення ільменітових руд.

Методи дослідження. Використані стандартні методи визначення властивостей розробленого стінового конструкційно-теплоізоляційного газобетону згідно з нормативними документами: ДСТУ БВ. 2.7-45-96 «Будівельні матеріали. Бетони ніздрюваті. Технічні вимоги», ДСТУ Б В.2.7-45:2010 «Бетони ніздрюваті. Загальні технічні умови».

Розрахунок та оптимізацію складів газобетону здійснювали на основі експериментальних досліджень, виконаних з використанням сучасних методів планування експерименту; визначення фазового складу сировинних компонентів та новоутворень структури матеріалу досліджувалось методами рентгенофазового, диференційно-термічного, електронно-мікроскопічного аналізів; для оцінювання порової структури газобетону використовувався лазерний вимірювально-розрахунковий комплекс. Для розшифрування результатів рентгенофазового та диференційно-термічного аналізів використовувалися літературні дані.

Наукова новизна одержаних результатів:

вперше встановлена можливість отримання добавки-модифікатора з високою пуцолановою активністю не лише з каолінів, але й із шламів техногенних продуктів збагачення ільменітових руд;

дістали подальший розвиток теоретичні уявлення про процеси твердіння в'яжучого та газобетонної суміші при використанні метакаоліновмісної добавки з техногенних продуктів збагачення ільменітових руд. Експериментально встановлено, що заміна 15-20% цементу у в'яжучому добавкою-модифікатором сприяє зниженню термінів тужавлення на 20-25 хвилин та інтенсифікує процес набору початкової структурної міцності газобетонною сумішшю. За рахунок прискорення формування та зміцнення коагуляційної структури в наявності аморфних фаз глинозема та кремнезема, які містяться у модифікаторі, період набору пластичної міцності газобетонною сумішшю скорочується на 40-50 хвилин (у 1,5 рази), порівняно з газобетоном на традиційному цементно-вапняному в'яжучому;

встановлено, що в автоклавному газобетоні на модифікованому в'яжучому, при порівнянні з газобетоном на змішаному в'яжучому, виникають змінені та нові форми сполук. Це відбувається за рахунок утворення в його складі цеолітоподібних високодисперсних гідроалюмосилікатів, які виступають активними центрами кристалізації. При цьому поруч із низькоосновними гідросилікатами кальцію, присутні високодисперсна фаза гідрату б-C2SH, алюміній заміщений тоберморіт та гідрогранати. Це підвищує міцність газобетону після гідротермальної обробки на 40-45% порівняно з газобетоном на цементно-вапняному в'яжучому;

встановлено, що покращення порової структури газобетону, при використанні метакаоліновмісного модифікатора, досягається за рахунок перерозподілу пор між макро- та мікропорами у бік останніх. Це відбувається за рахунок відкладення на стінках капілярних пор дрібнокристалічних новоутворень на рівні наночастинок. При цьому, в стінках пор новоутворення, як показують мікрофотографії, мають підвищену щільність та більш високу дисперсність, що підвищує міцність міжпорових перетинок, а отже, і газобетону.

Практичне значення одержаних результатів:

встановлена ефективність використання отриманої добавки-модифікатора із шламів збагачення ільменітових руд у формувальних сумішах газобетону. При введенні добавки замість 15-20% цементу терміни набору структурної міцності скорочуються у 1,5 рази, а міцність після автоклавної обробки збільшується на 40-45%;

розроблені склади газобетону на змішаному в'яжучому з раціональним вмістом метакаоліновмісної добавки;

запропоновані оптимальні режими термічної обробки шламів збагачення ільменітових руд для отримання активної пуцоланової добавки;

розроблена технологічна схема подачі та дозування метакаоліновмісної добавки для виготовлення газобетонної суміші;

результати дослідів використані у виробництві при виготовленні дослідно-промислової партії дрібноштучних газобетонних блоків.

Особистий внесок здобувача у наукових працях, опублікованих у співавторстві:

аналіз та узагальнення раніше проведених досліджень з використання вторинних продуктів промисловості у виробництві будівельних матеріалів [1, 2, 3];

теоретичне обґрунтування та експериментальне підтвердження ефективності використання пуцоланових добавок із шламів збагачення ільменітових руд у виробництві ніздрюватих бетонів [4, 5, 8, 9];

проведення експериментальних дослідів, обробка отриманих результатів та їх аналітичне обґрунтування [6, 7];

дослідження технологічного процесу формування виробів із газобетону з метакаоліновмісною добавкою-модифікатором [8, 9].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: міжнародному науково-практичному семінарі «Теорія та практика виробництва і використання ніздрюватого бетону в будівництві» ( м. Місхор, 2009 р.); міжнародній науково-практичній конференції «Фізико-хімічні основи будівельного матеріалознавства» (м. Харків, 2010 р.); міжнародній науково-практичній конференції «Структуроутворення, міцність та руйнування композиційних будівельних матеріалів та конструкцій» (м. Одеса, 2010 р.); конференціях ПДАБА «Стародубовські читання» (м.Дніпропетровськ, 2009, 2010 рр.); міжнародній науково-практичній конференції «Theoretical foundations of civil engineering» (м. Варшава, 2010 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 9 друкованих працях у наукових фахових виданнях, згідно з переліком, затвердженим ВАК України. Отримано рішення про видачу деклараційних патентів на корисні моделі - «В'яжуче» (реєстраційний номер заяви u 2010 13264, дата подання 10.03.2011р.) та «Сировинна суміш для виготовлення ніздрюватого бетону» (реєстраційний номер заяви u 2010 15838, дата подання 13.05.2011р.).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та двох додатків. Робота викладена на 141 сторінці, містить 26 таблиць, 29 рисунків. Список використаних джерел включає 117 найменувань. Додатки викладені на 3 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та завдання дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення результатів.

Перший розділ присвячений аналітичному огляду наукових праць, присвячених використанню різноманітних добавок-модифікаторів у виробництві будівельних матеріалів, у тому числі і газобетону. В останні роки, в якості високоефективної пуцоланової добавки в розчинах, бетонах спецпризначення та сухих будівельних сумішах, все більш популярним стає метакаолін, отриманий із чистих каолінів. Широко відомі в цій галузі досліджень праці Л.Й. Дворкіна, Р.Ф. Рунової, П.В. Кривенка, М.А. Саницького та інших. Використання цієї високоактивної пуцоланової добавки, до складу якої входять аморфний кремнезем та глинозем, у виробництві важких бетонів, дозволяє істотно підвищити їх міцність, густину цементного каменю, водонепроникність, зменшити усадочні явища. Покращення цих показників особово важливе для виробів з ніздрюватих бетонів.

Ніздрюваті бетони в якості ефективного будівельного матеріалу все більш широко використовуються у будівництві в Україні та за кордоном. Аналіз робіт П. А. Ребіндера, П. І. Боженова, А. П. Меркіна, П. В. Кривенка, Ю. М. Бутта, А. В. Волженського, Л.Й. Дворкіна, Ю.П. Горлова, Г.Я. Куноса, В. І. Соломатова, Р. Ф. Рунової, Г. П. Сахарова, І. Т. Кудряшова, В. М. Вирового, В. О. Мартиненка та інших дозволяє встановити взаємозв'язок між фізико-механічними властивостями ніздрюватих бетонів, їх структурою та складом сировинних матеріалів. Підвищення фізико-механічних властивостей газобетону можливе за рахунок введення у сировинний склад техногенних відходів виробництва.

Особливий інтерес для виробництва виробів з газобетону мають техногенні відходи у вигляді водних суспензій дисперсних частинок - шлами, які не потребують помолу, що дозволяє на 10-15% зменшити енерговитрати.

Отже, загальною метою цього дослідження є вплив техногенних відходів переробки ільменітових руд Вільногірського гірничо-металургійного комбінату (ВГМК) на основні технологічні та фізико-механічні властивості газобетону.

Шлами ВГМК є багатотоннажними відходами переробки ільменітових руд на титано-цирконієвий концентрат. Шлам у вигляді водної суспензії перекачується по трубопроводу в шламосховище, де складується та поступово висихає. Загальні об'єми шламу досягли 3 млн. м3. Техногенні відходи ВГМК у вигляді тонкодисперсних шламів включають з'єднання заліза, луг, невеликі кількості окислів титану та цирконію, а також цеолітоподобні гідроалюмосилікати, які є активними центрами кристалізації. Техногенні продукти збагачення ільменітової руди включають каолініт, який, після термічної обробки, утворює метакаолін.

У зв'язку з цим була висунута наукова гіпотеза:

наявність в шламах збагачення ільменітових руд ВГМК значної кількості каолініту дозволяє при відповідній термічній обробці, отримати метакаоліновмісний модифікатор, котрий може використовуватися у якості ефективної добавки в газобетоні, інформації щодо впливу якої на властивості ніздрюватого бетону на сьогодні недостатньо;

використання метакаоліновмісного модифікатора в складі газобетону може мати комплексний характер впливу, що дозволяє інтенсифікувати період набору початкової структурної міцності газобетонною сумішшю і, в подальшому, буде сприяти покращенню фізико-механічних властивостей отриманого газобетону;

використання багатотоннажних відходів ВГМК дозволяє знизити собівартість виробів з газобетону та покращити екологічний стан навколишнього середовища у Придніпровському регіоні.

У другому розділі наведені загальні характеристики використаних сировинних матеріалів та методи досліджень.

Для виготовлення газобетону були використані наступні матеріали: Балаклеєвський портландцемент; вапно комове негашене швидкозгасаюче; шлам Вільногірського гірничо-металургійного комбінату; кремнеземний компонент - пісок річковий дніпровський з модулем крупності Мкр= 1,38; газоутворювач - алюмінієва паста АВП-1.

За мінералогічним складом шлам ВГМК включає монтморилоніт, каолініт, кварц, польові шпати, тонкодисперсні матеріали, Ti-вмісні мінерали і карбонати. Згідно з даними, наданими заводом, шлам має відносно постійний хімічний та мінералогічний склад (табл. 1).

Таблиця 1

Хімічний склад використаного шламу

Масовий вміст основних оксидів, %
SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	Na2O	K2O	MgO	TiO2+ZrO2	ІД
51,3	24,1	3,4	1,1	0,18	0,37	0,45	1,5	10,7

Примітка. ІД - інші домішки.

Основні властивості в'яжучого та газобетону визначали з використанням стандартних і загальновідомих методів досліджень. Визначення фазово-мінералогічного складу новоутворень проводили методами рентгеноструктурного та диференційно-термічного аналізів.

Рентгеноструктурний аналіз проводили на рентгенівському дифрактометрі Дрон-4 з трубкою із мідним анодом БСВ-23. Зйомка проводилася у Сu випромінюванні, відфільтрованому за допомогою плоского графітового монохроматора. Диференційно-термічний (ДТА) аналіз виконувався на деріватографі системи А. Ердея, Ф. Пауліка, І. Пауліка. Розшифровка результатів виконувалася за літературними даними відомих авторів В. С. Горшкова, В. В. Тімашова, Ю. М. Бутта, Л. М. Рашковича та інших, а також за даними картотеки JCPDS.

Пористість та мікроструктура газобетону визначалися за допомогою лазерного вимірювально-обчислювального комплексу та електронного скануючого мікроскопу типу РЄС-106Н.

Визначення коефіцієнту теплопровідності газобетону виконували на приладі БІТ-021А, в основу якого покладено принцип стаціонарного теплового потоку.

Використано методи математичного планування експерименту та обробки результатів.

Третій розділ присвячено дослідженням з отримання метакаоліновмісного модифікатора із шламів збагачення ільменітових руд Вільногірського гірничо-збагачувального комбінату та його впливу на властивості модифікованого в'яжучого.

При нагріванні до 5000С каолініт починає втрачати воду з утворенням активного метакаоліну, а при температурах 925-10500С та вище може розкладатися з виділенням тепла, даючи на початку шпінель Si3Al4O12, а потім муліт Si2Al6O13 та кристалічний SiO2 - хімічно неактивні речовини.

Для одержання метакаоліновмісної добавки з найбільшою пуцолановою активністю шлам з ільменітової пульпи піддавався термообробці при температурах 580, 640 та 7000С. Зазначений діапазон температур термообробки прийнятий на підставі аналізів, проведених раніше дослідів.

Для кожної температури термообробки шламу визначалась пуцоланова активність одержаного продукту, яка через 5 годин титрування складала відповідно 380, 595 та 570 мг Ca(OH)2 на 1 г добавки. Найбільш активна метакаоліновмісна добавка одержана зі шламу ВГМК, термообробленого при температурах 6400С. При цьому відбувається дегідратація продукту термообробки, аморфізація каолініту та не допускається перехід метакаоліну в неактивні сполуки. Через це дана температура може бути прийнята за оптимальну для шламів збагачення ільменітових руд ВГМК.

Газобетон вміщує раціонально підібрані компоненти, найбільш важливим з яких є в'яжуче. У досліджуваному газобетоні прийняте змішане цементно-вапняне в'яжуче. З метою вивчення впливу одержаної метакаоліновмісної добавки на властивості в'яжучого, враховуючи досвід минулих досліджень, найбільш ефективно заміняти нею частину цементу. Тому, на першому етапі досліджувалася в'яжуча композиція на основі портландцементу з добавкою метакаоліновмісного модифікатору для встановлення раціонального вмісту цих компонентів.

У подальшому досліди проводилися на цементно-вапняному в'яжучому для газобетону, в якому частина цементу замінена оптимальною кількістю метакаоліновмісної добавки.

Для встановлення раціональної кількості добавки у цементі було використано метод повнофакторного планування експерименту. За вхідні параметри був прийнятий вміст у складі в'яжучого: портландцементу (Х1), води замішування (Х2) та метакаоліновмісної добавки (Х3).

За вихідні параметри були прийняті межа міцності на стискання та згинання зразків після 28-добового твердіння у нормальних умовах.

За результатами планування та проведення експерименту отримані математичні моделі, які адекватно описують залежність міцності в'яжучого при зміненні його складу. Отримані моделі міцності на стискання та згинання на основі портландцементу марки 500 мають наступний вигляд:

Rст28 = 47,32+3,463·х1·х3+4,06·х2-5,16·х2·х3;

Rзг28 = 4,86+0,225·х1·х3+0,3·х2-0,35·х2·х3;

де Х1, Х2, Х3 - вміст компонентів в'яжучого відповідно: портландцементу, води затворення, метакаоліновмісної добавки.

За отриманими математичними моделями побудовані графічні поверхні впливу «склад-міцність при стисканні», «склад-міцність при згинанні» (рис. 1,2).

Рис. 1. Графічні поверхні впливу «склад-міцність при згинанні» у віці 28 діб

Рис 2. Графічні поверхні впливу «склад-міцність при стисканні» у віці 28 діб

Встановлено, що оптимальний вміст метакаоліновмісної добавки у в'яжучому на основі портландцементу складає 15%. При цьому забезпечується максимальний приріст міцності в'яжучого.

Були проведені досліди з впливу метакаоліновмісної добавки на технологічні властивості в'яжучого на основі портландцементу та цементно-вапняного в'яжучого. Використання тонкодисперсної добавки у суміші в'яжучого призводить до закономірного збільшення його водопотреби внаслідок її високої адсорбційної здатності. У зв'язку з цим, в обох сумішах в'яжучого, використовувався суперпластифікатор С-3.

Вплив кількості добавки-модифікатора на нормальну густину цементного тіста має лінійний характер. При оптимальному вмісті добавки у суміші (15%) терміни твердіння незначно скорочуються.

Введення вапна у склад модифікованого цементного в'яжучого скорочує терміни схвачування, при цьому нормальна густина тіста незначно відрізняється від бездобавочного в'яжучого.

Скорочення термінів тужавлення в сумішах з добавками вапна відбувається внаслідок підвищення концентрації коагулюючих компонентів, що утворюються при каталізі реакцій утворення низькоосновних гідросилікатів кальцію. При цьому, треба враховувати інтенсивний зв'язок вільного вапна з пуцолановою добавкою.

При сумісному введенні усіх компонентів у систему “в'яжуче-вода” відбувається міцний контакт між частинками твердої фази внаслідок збільшення її концентрації. Відбувається фізичне і хімічне зв'язування води та зменшення товщини водних прошарків, що обумовлює прискорення початку тужавлення.

Крім того, ряд дослідів свідчить про прискорення процесів структуроутворення у цементному тісті з суперпластифікатором при високому вмісті C3A у в'яжучому. Пояснюється це інтенсивною адсорбцією розчину суперпластифікатора алюмінатними сполуками, а використовувана у наших дослідах метакаоліновмісна добавка містить активний Al2O3.

Четвертий розділ дисертаційної роботи включає дослідження газобетону на модифікованому в'яжучому з використанням метакаоліновмісної добавки.

Розрахунок складу газобетону середньою щільністю 500, 600 кг/м3 виконано за методикою, запропонованою М.П. Сажньовим, В.М. Гончариком та іншими. Частина цементу (до 17-19%) у цементно-вапняному в'яжучому заміщувалась на встановлену оптимальну кількість добавки, тобто використовувалося модифіковане в'яжуче. Склади газобетону наведені у табл. 2.

Сировинні матеріали проходили підготовку наступним чином: вапно з частиною піску подрібнювалося та розмелювалося сухим способом до питомої поверхні 3500-4000 см2/г. Пісок розмелювався мокрим способом до питомої поверхні 1500-2000 см2/г. Газобетонна суміш заливалася у форми, та після спучення та набору структурної міцності, зрізався “окраєць” і зразки проходили гідротермальну обробку в автоклаві при температурі 1740С та тиску 0,8 МПа за режимом: 1,5 години - підйом тиску; 7 годин - витримка; 2-3 години - зниження тиску.

У формувальній суміші міститься метакаоліновмісна добавка, в яку входять аморфний глинозем та кремнезем, що сприяє більш інтенсивному набору пластичної міцності. Так, період набору пластичної міцності газобетонної суміші на модифікованому в'яжучому скорочується у 1,5 рази порівняно з газобетонною сумішшю на цементно-вапняному в'яжучому (рис. 3). Після автоклавної обробки міцність газобетону на модифікованому в'яжучому підвищується на 40-45%, порівняно з газобетоном на цементно-вапняному в'яжучому (табл. 2).

Аналіз отриманих результатів показує, що за показниками набору пластичної міцності сумішшю та підвищення міцності газобетону після автоклавної обробки, за оптимальний може бути прийнятий склад, який містить 18-20% вапна, 18-20% цементу та 15% метакаоліновмісної добавки (склад № 10, табл. 2).

Таблиця 2

Вплив метакаоліновмісного модифікатору на характеристики міцності газобетону середньою густиною 600 кг/м3

№ складів	Склад сировинних компонентів на 1 м3, кг	Межа міцності при стисканні, МПа
	Пісок	Вапно	Цемент	Метакаоліно-вмісний модифікатор
1	340,80	124,2	81,64	20,40	4,75
2	340,80	124,2	86,73	15,31	4,45
3	340,80	124,2	91,84	10,20	4,24
4	340,80	124,2	102,04	-	3,10
5	329,4	124,2	90,72	22.68	4,85
6	329,4	124,2	96,39	17,01	4,48
7	329,4	124,2	102,06	11.34	4,26
8	329,4	124,2	113,40	-	3,32
9	326,0	138,9	81,60	20.40	5,15
10	326,0	138,9	86,70	15,31	5,20
11	326,0	138,9	91,85	10,20	5,10
12	326,0	138,9	102,05	-	3,38
13	314,70	138,9	90,72	22,68	5,33
14	314,70	138,9	96,39	17,01	5,30
15	314,70	138,9	102,06	11,34	4,56
16	314,70	138,9	113,40	-	3,40

Фазово-мінералогічний склад новоутворень зразків газобетону на модифікованому в'яжучому визначався за допомогою рентгеноструктурного та диференційно-термічного аналізів.

За результатами аналізів встановлено зниження кількості незв'язаного оксиду кальцію у газобетоні на модифікованому в'яжучому, порівняно з газобетоном на цементно-вапняному в'яжучому, що фіксується на рентгенограмі за зниженням характерного дифракційного максимуму 0,263. Вміст тоберморіту C4S5H5 в газобетоні на модифікованому в'яжучому, порівняно з газобетоном на цементно-вапняному в'яжучому, визначається за підвищенням інтенсивності дифракційного максимуму d=1,10.

Деріватограма газобетону на модифікованому в'яжучому фіксує у новоутвореннях наявність магнетиту та гетиту. Екзотермічний ефект при температурі 250-3740С вказує на окислення магнетиту FeFe2O4 до маггемиту

г-Fe2O3, а при температурі 590-6500С відбувається перехід маггемиту у гематит б- Fe2O3.

Рис.3. Графіки набору пластичної міцності газобетонною сумішшю з розрахунковою густиною газобетону 600 кг/м3 (номери кривих відповідають номерам складів у табл. 2)

Гетит FeOOH має на термограмі ендотермічний ефект при температурі 300-4200С, при якій відбувається дегідратація з переходом у б-Fe2O3. Екзотермічний ефект при температурі 6800С пов'язаний з кристалізацією та зворотнім поліморфним перетворенням б-Fe2O3 у г-Fe2O3. Дані ДТА підтверджуються дифракційними відображеннями d/n = 0,247; 0,225; 0,176; 0,168; 0,129.

Сходові ендоефекти 4500С та 5200С у газобетоні на модифікованому в'яжучому вказують на наявність гідрогранат, що підтверджується на рентгенограмі дифракційними відображеннями б/n = 0,31; 0,289; 0,279; 0,270; 0,259; 0,228; 0,209; 0,176; 0,162 нм.

Рентгенограма газобетону з добавкою-модифікатором вказує на наявність б-C2SH, що підтверджується дифракційними відображеннями б/n = 0,39; 0,287; 0,280; 0,26; 0,244; 0,178 нм.

Аналіз отриманих результатів дозволяє зробити висновок про покращення характеру новоутворень у газобетоні на модифікованому в'яжучому за рахунок введення у склад метакаоліновмісної добавки. Це призводить до підвищення показників міцності газобетону.

Дослідження пористості газобетону за допомогою лазерного вимірювально-обчислювального комплексу показало, що метакаоліновмісний модифікатор впливає і на формування пористої структури матеріалу. При цьому відбувається зміна балансу між крупними та дрібними порами у бік останніх та кращому розподіленню їх в об'ємі газобетону. Мікрофотографії газобетону на модифікованому в'яжучому, виконані за допомогою електронного скануючого мікроскопу РЕС-106Н, показали, що структура міжпорових перетинок більш щільна, з наявністю відкладень новоутворень, пори більш дрібні, ніж у газобетоні на цементно-вапняному в'яжучому (рис.4).

а) б)

Рис.4. Мікрофотографії газобетону на цементно-вапняному (а) та модифікованому (б) в'яжучому

Таким чином, метакаоліновмісна добавка-модифікатор відіграє активну роль у процесах утворення щільної дрібнодисперсної структури міжпорових перетинок, за рахунок синтезу більш міцних низькоосновних гідросилікатів кальцію типу CSH(1) та покращення порової структури газобетону.

При цьому встановлено, що показники морозостійкості газобетону на модифікованому в'яжучому у 1,4 рази вище, ніж у газобетоні на цементно-вапняному в'яжучому. Так, газобетон середньою густиною 600 кг/м3 показав марку за морозостійкістю F50, а середньою густиною 500 кг/м3 - F35. На цементно-вапняному в'яжучому відповідно - F35 та F25.

Підвищення морозостійкості газобетону на модифікованому в'яжучому відбувається за рахунок покращення новоутворень та порової структури матеріалу з більш міцними міжпоровими перетинками.

Осідання при висиханні визначали згідно стандартної методики. В процесі дослідження матеріалів автоклавного твердіння Ю.М. Бутт та Л.Н. Рашкович встановили, що бетони, які містять гідросилікати волокнистої будови, мають осідання при сушці чи зміненні вологості середовища більшу, ніж кристалічні гідросилікати. У тоберморіта таких недоліків немає. У досліджуваному газобетоні на модифікованому в'яжучому у складі є тоберморіт, і тому, не дивлячись на використання у сировинній суміші дрібнодисперсної метакаоліновмісної добавки, осідання при висиханні не збільшилася та відповідає вимогам діючих стандартів.

Визначення коефіцієнту теплопровідності виконувалось за стандартною методикою. Встановлено, що у газобетоні на модифікованому в'яжучому, внаслідок збільшення дрібних пор та зменшення товщини міжпорових перетинок, коефіцієнт теплопровідності на 6-6,5% нижчий, ніж у газобетоні на цементно-вапняному в'яжучому.

П'ятий розділ присвячено перевірці результатів досліджень та впровадженню їх у виробництво.

Для дослідно-промислової перевірки теоретичних та експериментальних результатів проведеної роботи, на Дніпропетровському заводі стінових матеріалів на лінії з виробництва ніздрюватих блоків, був здійснений випуск дослідної партії дрібноштучних блоків з газобетону середньою густиною 600 кг/м3 класом В3,5 на модифікованому в'яжучому, з використанням метакаолінвмісного модифікатора, одержаного зі шламів ВГМК.

До виробництва була прийнята партія блоків типу А13С - 600Ч300Ч200 - Д600 - В3,5 (М50) - F35Р - ДСТУ Б В.2.7-45:2010.

Дослідження блоків у заводській лабораторії показало, що за показниками середньої густини - 598, 4 кг/м3 та міцності - Rст = 5,1 МПа (клас бетону В3,5) блоки повністю відповідають вимогам ДСТУ Б В.2.7-45:2010 «Бетони ніздрюваті. Загальні технічні умови».

Економічна ефективність використання метакаоліновмісного модифікатора, замість частини цементу у складі модифікованого в'яжучого в газобетоні, визначалася за зниженням собівартості одиниці продукції. При цьому враховувалась економія цементу на 1 м3 газобетону, порівняно з газобетоном того ж складу, але без використання метакаоліновмісної добавки.

Розрахунковий економічний ефект при виробництві 25 тис. м3 на рік дрібноштучних стінових блоків з газобетону на модифікованому в'яжучому становить 189875 грн.

ВИСНОВКИ

В результаті виконаних дослідів теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено вирішення науково-прикладного завдання з покращення властивостей газобетону на в'яжучому, модифікованому добавками, отриманими з техногенних відходів збагачення ільменітових руд.

Практичні результати, отримані автором, підтверджують можливість одержання ефективної пуцоланової добавки за рахунок її використання у сировинній суміші газобетону, що дозволяє підвищити його фізико-механічні властивості, знизити собівартість матеріалу, при зниженні витрат цементу та збільшенні продуктивності.

Використання метакаоліновмісної добавки, у склад якої входять аморфні глинозем та кремнезем, дозволяє скоротити у 1,4 рази термін зростання пластичної міцності газобетонної суміші, порівняно із сумішами на цементно-вапняному в'яжучому.

Розроблені сировинні суміші газобетону з оптимальним вмістом метакаоліновмісної добавки. Це дозволяє на 40-45% підвищити міцність порівняно з газобетоном на цементно-вапняному в'яжучому.

При введенні у склад газобетону метакаоліновмісної добавки, за рахунок утворення цеолітоподібних гідроалюмінатів, які є каталізаторами та активними центрами кристалізації, встановлено покращення новоутворень в отриманому газобетоні, порівняно з газобетоном на змішаному в'яжучому. За результатами рентгеноструктурного аналізу у зразках газобетону на модифікованому в'яжучому спостерігається зниження кількості незв'язаного оксиду кальцію та підвищення вмісту низькоосновних гідросилікатів кальцію, у тому числі тоберморіту. У новоутвореннях відмічено вміст алюмінійзаміненого тоберморіту та утворення гідрогранат. Підвищилася ступінь гідратації. Все це призводить до ущільнення міжпорових перетинок та підвищення міцності газобетону в цілому.

Використання метакаоліновмісної добавки призводить до покращення порової структури матеріалу. Відбувається перерозподіл розмірів пор у бік виникнення більш дрібних, за рахунок зниження кількості великих капілярних пор. При цьому, ущільнюються міжпорові перетинки.

При дослідженні основних фізико-механічних властивостей газобетону на модифікованому в'яжучому встановлено, що при використанні у сировинній суміші метакаоліновмісної добавки, підвищується у 1,3 рази морозостійкість за рахунок покращення новоутворень у структурі матриці, і більш міцної структури міжпорових перетинок. Газобетон на модифікованому в'яжучому марки Д600 має марку за морозостійкістю F50, а марки Д500 - марку F35.

Показники осідання при висиханні автоклавного газобетону на модифікованому в'яжучому відповідають вимогам діючого стандарту

ДСТУ Б.В. 2.7.-45-96.

Створення дрібнопористої будови газобетону, за рахунок введення в його склад дрібнодисперсної метакаоліномісної добавки, зменшує кількість тепла, яке передається конвекцією, що призводить до деякого пониження коефіцієнту теплопровідності.

За результатами лабораторних дослідів виконана виробнича перевірка та впровадження розроблених складів газобетону на модифікованому в'яжучому. Виготовлена дослідна партія дрібноштучних газобетонних блоків марки Д600 за щільністю.

Виконано розрахунок техніко-економічної ефективності. У результаті заміщення частини цементу техногенним відходами збагачення ільменітових руд встановлено зниження собівартості 1 м3 газобетонних блоків на модифікованому в'яжучому порівняно з газобетоном на цементно-вапняному в'яжучому. Розрахунковий річний економічний ефект при об'ємі випуску 25 тис. м3 складає 189875 грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Маляр Д. О. Проблемы повышения технико-экономических показателей изделий из газобетона / А. П. Приходько, В. А. Еременко, Д. О. Маляр // Строительство, материаловедение, машиностроение. Серия: теория и практика производства и применения ячеистого бетона в строительстве. - Днепропетровск: ПГАСА, 2009. - Вып.4. - с. 286-290.

Маляр Д. О. Ячеистые бетоны с использованием техногенных отходов промышленности / А.П. Приходько, Д.О. Маляр // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Днепропетровск: ПДАБА, 2009. - №. 4. - С. 6-8.

Маляр Д.О. Научно-обоснованная перспектива использования вторичных продуктов производства / А.П. Приходько, Н.С. Сторчай, Д.О. Маляр, Д.В. Кононов, Е.А. Енвальт // Вісник Донбаської національної академії будівництва і архітектури. - 2010. - № 5(85), т. 2. - с. 433-441.

Маляр Д.О. Возможности использования техногенных отходов Вольногорского горно-металлургического комбината в ячеистых бетонах // А.П. Приходько, В.А. Еременко, Н.С. Сторчай, Д.О. Маляр // Теоретичні основи будівництва. - Варшава, 2010. - Вып. 18. - С. 515-516.

Маляр Д.О. Ефективне використання активних мінеральних пуцоланових добавок / А.П. Приходько, Н.С. Сторчай, Д.О. Маляр, Д.В. Кононов,

А.С. Ломакина // Строительство, материаловедение, машиностроение. - Днепропетровск: ПГАСА, 2010. - Вып. 52. - с. 154-161.

Маляр Д.О. Эффективность применения техногенных минеральных систем / А.П. Приходько, В.А. Еременко, Н.С. Сторчай, Д.О. Маляр,

Д.В. Кононов, Е.А. Энвальт, А.Н. Гришко // Вісник Одеської державної академії будівництва та архітектури. - Одеса: Зовнішрекламсервіс, 2010. - Вип. 39, ч. 2. - С. 162-168.

Маляр Д.О. Опыт применения активных минеральных пуццолановых добавок / А.П. Приходько, Н.С. Сторчай, Д.О. Маляр, Д.В. Кононов,

А.С. Ломакина // Строительство, материаловедение, машиностроение. - Днепропетровск: ПГАСА, 2010. - Вып. 54. - с. 38-45.

Маляр Д.О. Науково-обгрунтований підхід до використання техногенних відходів у виробництві будівельних матеріалів / А.П. Приходько,

Л.С. Савін, В.А. Єрьоменко, Н.С. Сторчай, Д.О. Маляр, Д.В. Кононов // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Днепропетровск: ПДАБА, 2010. - №. 2-3. - С. 17-23.

Маляр Д.О. Науково-обгрунтоване використання сировини техогеннного походження в технології виробництва будівельних матеріалів /

А.П. Приходько, Н.С. Сторчай, Д.О. Маляр, Д.В. Кононов, А.Н. Гришко // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, 2010. - Вип. 59. -

с. 208-213.

АНОТАЦІЯ

Маляр Д.О. Газобетон на в'яжучому, яке модифіковано техногенними продуктами збагачення ільменітових руд. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних

наук за спеціальністю 05.23.05 - будівельні матеріали та вироби. -

Державний вищий навчальний заклад «Придніпровська державна академія будівництва та архітектури», Дніпропетровськ, 2011.

Дисертація присвячена поліпшенню властивостей газобетону на в'яжучому, модифікованому добавкою, отриманою з техногенних відходів збагачення ільменітових руд.

Теоретично обгрунтована та експериментально підтверджена ефективність використання метакаоліновмісної добавки у складі модифікованого в'яжучого в газобетоні.

Добавка-модифікатор, яка містить аморфний глинозем і кремнезем, скорочує в 1, 4 рази період наростання пластичної міцності сумішшю на 40-45% підвищує міцність газобетону. Розроблено склади газобетону з оптимальним вмістом метакаоліновмісної добавки, які забезпечують підвищення фізико-механічних властивостей газобетону, зниження його собівартості при заміні 15-20% цементу добавкою-модифікатором, підвищення продуктивності.

За результатами рентгенофазового і диференційно-термічного аналізу, в газобетоні на модифікованому в'яжучому, встановлено зниження кількості незв'язаного оксиду кальцію, підвищення вмісту низькоосновних гідросилікатів кальцію, у тому числі тоберморіту. Відзначено вміст алюмінійзаміненного тоберморіту, а також утворення гідрогранатів. Підвищилася ступінь гідратації. Це призвело до зміцнення міжпорових перетинок та підвищення міцності газобетону в цілому.

Дослідження показали, що в газобетоні при використанні добавки-модифікатора, відбувається зміна балансу між великими і дрібними порами у бік останніх. При цьому поліпшується порова структура матеріалу.

Морозостійкість газобетону на модифікованому в'яжучому в 1,3 рази вище, ніж на цементно-вапняному. Завдяки поліпшенню пористої будови дещо знижується коефіцієнт теплопровідності (до 6,5%).

Результати досліджень реалізовані при випуску дослідної партії стінових блоків газобетону з метакаоліновміщуючою добавкою, отриманою з техногенних відходів.

Ключові слова: газобетон, метакаоліновмісна добавка, модифіковане в'яжуче, порова структура.

АНОТАЦИЯ

Маляр Д. О. Газобетон на вяжущем, которое модифицировано техногенными продуктами обогащения ильменитовых руд. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 - строительные материалы и изделия. - Государственное высшее учебное заведение «Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры», Днепропетровск, 2011.

Диссертация посвящена улучшению свойств газобетона на вяжущем, модифицированном добавкой, полученной из техногенных отходов обогащения ильменитовых руд.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность использования метакаолиносодержащей добавки в составе модифицированного вяжущего в газобетоне.

Введение добавки-модификатора, содержащей аморфные глинозем и кремнезем, позволяет сократить в 1,4 раза период нарастания пластической прочности газобетонной смесью, по сравнению со смесями на цементно-известковом вяжущем.

Практические результаты, полученные автором, обеспечивают повышение физико-механических свойств газобетона, снижение себестоимости материала, при снижении расхода цемента, повышение производительности.

В результате исследований, разработаны сырьевые составы газобетона с оптимальным содержанием метакаолиносодержащей добавки, что позволяет на 40-45 % повысить прочностные показатели по сравнению с газобетоном на цементно-известковом вяжущем. Полученный газобетон на модифицированном вяжущем, при марке по плотности Д600, имеет класс В 3,5, при марке по плотности Д 500 - класс В 2,5.

При использовании метакаолиносодержащей добавки установлено улучшение новообразований в полученном газобетоне, по сравнению с газобетоном на смешанном цементно-известковом вяжущем. По результатам ренгеноструктурного и дифференциально-термического анализов, в образцах газобетона на модифицированном вяжущем наблюдается снижение количества несвязанного оксида кальция, повышение содержания низкоосновных гидросиликатов кальция, в том числе тоберморита. В новообразованиях отмечено содержание алюминий замещенного тоберморита и образование гидрогранатов. Повысилась степень гидратации. Все это приводит к упрочнению межпоровых перегородок и прочности газобетона в целом.

В газобетоне на модифицированном вяжущем происходит изменение баланса между крупными и мелкими порами в сторону последних. При этом, улучшается поровая структура материала, что повышает в 1,3 раза морозостойкость газобетона на модифицированном вяжущем, по сравнению с газобетоном на цементно-известковом вяжущем. Так, газобетон на модифицированном вяжущем марки по плотности Д600 имеет марку по морозостойкости F 50, а марки по плотности Д 500 - марку F 35.

Создание мелкопористого строения газобетона, за счет введения в его состав метакаолиносодержащей добавки-модификатора, уменьшает количество тепла, передаваемого конвекцией, что способствует некоторому снижению (до 6,5 %) коэффициента теплопроводности.

Показатели усадки при высыхании автоклавного газобетона на модифицированном вяжущем отвечают требованиям действующего стандарта.

По результатам лабораторных исследований проведена производственная проверка и внедрение, с использованием разработанных составов газобетона на модифицированном вяжущем. Изготовлена партия мелкоштучных газобетонных блоков марки по плотности Д600. Результаты заводской проверки подтвердили, полученные в исследованиях экспериментальные данные.

Расчет экономической эффективности показал, что замена цемента добавкой, полученной из отходов обогащения ильменитовых руд, приводит к снижению себестоимости 1 м3 газобетонных изделий. Расчетный годовой экономический эффект, при объеме вяжущего 25 тыс.м3, составляет 189875 грн.

Ключевые слова: газобетон, метакаолиносодержащая добавка, модифицированное вяжущее, поровая структура.

SUMMARY

Malyar D. O. Aeratedconcrete on astringent, modified by technogenic products of enriching ilmenite ores. - Manuscript.

Thesis for a scientific degree of technical sciences candidate in speciality 05.23.05 - building materials and items. - State Higher Educational Establishment “Prydniprovsk State Academy of Civil Engineering and Architecture", Dnipropetrovsk, 2011.

Dissertation deals with the improvement of properties of aerocrete on astringent, modified by the additive recieved from technogenic waste of enriching ilmenite ores.

The effectiveness of the use of metakaolin containing additive in the structure of modified astringent in an aerocrete is theoretically grounded and confirmed experimentally.

The modifier additive containing amorphous alumina and silica reduces the period 1.4 times of growing of plastic strength and improves the durability of aerocrete by 40-45 %.

Compositions of aerocrete are developed with optimal maintenance of metakaolin containing additions that provide the growth of physico-mechanical properties of aerocrete, decline of his prime price at replacement of 15-20% cement by an addition-modifier, and increasing the productivity.

According to the results of X-ray crystal and differential thermal analyses of samples of aerated modified astringent the is decrease of unbound calcium oxide and increase of low basis hydrosilicates of calcium including tobermorita.

The content of aluminum and the formation of substituted tobermorita hydrogranates in tumors are noticed. The degree of hydratation has risen. This leads to a strengthening of partition interporous and strength of aerated concrete in general.

In aerated concrete on the modified astringent is altering the balance between large and small pores in the latter. It improves the pore structure of the material.

Frost-resistance of aerocrete on modified astringent 1,3 time higher, than on a cement-lime.

Due to the improvement of porous structure the coefficient of heat conductivity decreases (to 6,5%).

The results of researches are implemented at the issue of experimental line of small wall units from an aerocrete with metakaolin containing additive.

Rated annual economic effect at a volume astringent of 25 th.m3 makes 189875 UAH.

Keywords: aerocrete, metakaolin containing additive, the modified binder, the pore structure.

Размещено на Allbest.ru

...