Эффективные мелкозернистые бетоны с использованием модифицированных отходов хризотилцементного производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Эффективные мелкозернистые бетоны с использованием модифицированных отходов хризотилцементного производства

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

На правах рукописи

Межов Александр Григорьевич

Москва 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»)

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор Попов Кирилл Николаевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Соловьев Виталий Николаевич

- кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Бессонов Игорь Вячеславович

Ведущая организация - Государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт Московского строительства»

Защита состоится «_______»__________2012 года в ________ часов на заседании диссертационного совета Д.212.138.02 в ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26, ауд_____.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «____»__________2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета Алимов Л.А.

Актуальность работы

Одним из путей повышения эффективности мелкозернистых бетонов является использование техногенных отходов.

При производстве хризотилцементных изделий отходы составляют до 10 % от массы выпускаемой продукции. Полное использование таких отходов затруднено ввиду их неоднородности и низкой химической активности.

Решение проблемы повышения эффективности мелкозернистых бетонов связано с возможностью применения в качестве органоминеральной добавки отходов хризотилцементного производства, подвергнутых механохимической активации.

Работа выполнена в соответствии с НИР МГСУ в рамках локального проекта НИУСА МГСУ за 2010 - 2011г. «Формирование научно - образовательного направления по разработке новых высокоэффективных конструкционных, изоляционных и отделочных строительных материалов и технологий для гражданского, промышленного и специального строительства».

Цель и задачи работы

Основная цель диссертации - разработка эффективных мелкозернистых бетонов с использованием модифицированных отходов хризотилцементного производства.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- обосновать возможность повышения эффективности мелкозернистых бетонов за счет использования отходов хризотилцементного производства;

- разработать технологию получения органоминеральной добавки на основе отходов хризотилцементного производства;

- установить закономерность изменения структуры и свойств мелкозернистых бетонов от главных факторов;

- провести опытно-производственное опробование результатов исследования.

Научная новизна

- обоснована возможность создания эффективных мелкозернистых бетонов за счет использования отходов хризотилцементного производства в виде органоминеральной добавки, обеспечивающей повышение однородности, понижение капиллярной пористости и получение мелкокристаллических новообразований низко- и высокоосновных гидросиликатов, влияющих на прочностные показатели мелкозернистого бетона;

- установлена зависимость величины удельной поверхности органоминеральной добавки от длительности механохимической активации и наличия ПАВ;

- с помощью методов РФА, ДТА и электронной микроскопии установлено, что механохимическая активация отходов хризотилцементного производства в присутствии ПАВ способствует интенсивному взаимодействию их с гидратными образованиями цемента с возникновением низко- и высокоосновных гидросиликатов;

- с помощью метода математического планирования эксперимента были получены многофакторные квадратичные зависимости водопотребности и прочности мелкозернистых бетонов от удельной поверхности, состава и содержания органоминеральной добавки;

- установлено, влияние органоминеральной добавки на кинетику набора прочности мелкозернистого бетона;

Практическая значимость

- разработана технология производства органоминеральной добавки с помощью механохимической активации отходов хризотилцементного производства совместно с суперпластификатором С-3;

- разработана технология получения эффективных мелкозернистых бетонов с органоминеральной добавкой на основе отходов хризотилцементного производства;

- получены мелкозернистые бетоны с прочностью при сжатии 45,2 МПа, при растяжении 5,8 МПа и морозостойкостью F 200.

Внедрение результатов исследований

Опытно-производственное опробование разработанных рекомендаций было проведено на заводе ООО «Зацарицынское» г. Волгоград. Выпущена опытная партия тротуарных плит из мелкозернистого бетона с органоминеральной добавкой в объеме 50 м3.

Апробация работы

Результаты, полученные в диссертации, были доложены и обсуждены: на научно-практических конференциях в Московском государственном строительном университете: «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в 2008 и 2011 годах, на специализированной выставке Отечественные строительные материалы на семинаре «Энергоэффективные технологии в строительстве», 2010 г., на Международной научной конференции, посвященной 90-летию МГСУ-МИСИ, «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании», 2011 г.

На защиту выносятся:

- обоснование возможности создания эффективных мелкозернистых бетонов путем введения в их состав механохимически активированных отходов хризотилцементного производства;

- технология получения органоминеральной добавки на основе отходов хризотилцементного производства;

- многофакторные зависимости, необходимые для оптимизации составов мелкозернистых бетонов;

- закономерности изменения основных свойств мелкозернистых бетонов от главных факторов;

- результаты опытно-производственного опробования.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы из 114 наименований и 3 приложения. Работа изложена на 125 листах машинописного текста и содержит 25 рисунков и 27 таблиц.

Содержание работы

мелкозернистый бетон хризотилцементный добавка

Мелкозернистые бетоны ввиду отсутствия в их составе крупного заполнителя обладают более однородной структурой, чем бетоны с крупным и мелким заполнителем. Однако наличие в составе бетона только мелкой фракции заполнителя обусловливает ряд недостатков, таких как увеличение удельной поверхность заполнителя и его пустотность. Чтобы получить равноподвижную смесь по сравнению с бетоном на крупном заполнителе, требуется на 15…25% увеличить количество воды, что приводит к росту усадочных деформации и проявлению внутренних напряжений в процессе твердения бетона, кроме того, повышенное содержание воды приводит к увеличению капиллярной пористости бетона, что существенно снижает его морозостойкость.

Для повышения эффективности мелкозернистых бетонов существует несколько способов: введение в состав бетонной смеси комплексных добавок, совершенствование способов формования изделий, использование модифицированных техногенных отходов и т.п.

Ежегодно, по данным НО «Хризотиловая ассоциация», в России производится около 1 260 тыс. тонн хризотилцементных изделий. Примерное суммарное количество отходов, образующихся на хризотилцементных предприятиях, составляет 8 - 10 % от массы выпускаемой продукции, т.е. около 100 - 126 тыс. тонн в год.

В состав сырья для получения хризотилцементных изделий входят цемент в количестве 80…85 % и хризотил 15…20 % по массе.

Как показали исследования, состав, структура и свойства хризотилцементных отходов существенно зависят от способа их образования, можно выделить два типа: сухие или влажные. К сухим отходам относится некондиционная продукция, стружка от обточки труб, обрезки изделий и т.п. Вследствие этого в них присутствуют негидратированные клинкерные минералы, а их структура и свойства отличаются более постоянным составом, чем у влажных отходов, образующихся в отстойниках и представляющих собой осадок сточных вод.

Эффективные мелкозернистые бетоны могут быть получены за счет использования отходов хризотилцементного производства в виде органоминеральной добавки (ОМД), позволяющей модифицировать мелкозернистые бетоны и сокращать расхода цемента.

Для подтверждения высказанных положений необходимо установление обобщенных зависимостей формирования структуры и свойств мелкозернистых бетонных смесей с применением механохимически активированных отходов хризотилцементного производства.

Исследования проводились на следующих материалах.

Портландцемент Евроцемент ЗАО «Белгородский цементный завод» марки ЦЕМ I 42,5 Н, с нормальной густотой 25,25%. Характеристики используемого цемента приведены в табл. 1; 2; 3.

Таблица 1. Характеристики используемого цемента

Таблица 2. Химический состав клинкера

Таблица 3. Минералогический состав клинкера

Пески кварцевые с модулем крупности Мкр=2,5.

В качестве добавки был использован суперпластификатор С-3 (СП С-3), соответствующий ТУ 5870-005-58042865-2005, произведенный п/о «Полипласт».

Прочность на изгиб и сжатие определялась по ГОСТ 310.4 - 81 на образцах размером 40х40х160 мм.

Прочность бетона на сжатие определялась по ГОСТ 10180 - 90 на образцах размером 70,7х70,7х70,7 мм.

Исследование образцов вели методами РФА, ДТА, электронной микроскопии и лазерного анализа размеров частиц.

В работе использовались отходы с комбината ОАО «Красный строитель» МО, г. Воскресенск.

С целью обоснования выбора типа отходов для применения в мелкозернистых бетонах с помощью методов РФА, ДТА, электронной микроскопии был проведен анализ.

Анализ рентгенограммы показал, что степень гидратации сухих отходов составляет 70 - 75 %. Т.о. с помощью механохимической активации может быть повышена гидравлическая активность отходов.

Для выявления оптимального режима механохимической активации были проведены исследования влияния времени помола и наличия ПАВ на величину удельной поверхности помола.

В шаровой мельнице при соотношении массы материала к массе мелющих тел 1:10, помол производился в течение 160 минут, каждые 20 минут на приборе Блейн проводилось измерение полученной удельной поверхности. Помол производился в двух вариантах: отход без С-3 и отход совместно с порошком С-3. По результатам помола были получены экспериментальные зависимости изменения удельной поверхности от времени помола и наличия ПАВ рис.1.

После установления режима помола, были изготовлены образцы, табл. 4, для определения оптимального способа введения С-3.

Анализ полученных данных показывает, что способ введения пластификатора оказывает существенное влияние на водопотребность смесей табл.4. Замена 10% цемента на молотые отходы приводит к увеличению водопотребности смеси, что обусловлено повышенной удельной поверхностью помола. Составы № 3 и 4 отличаются способом введения пластификатора, в первом случае водопотребность по сравнению с № 2 снижается, но остается выше состава № 1 - контрольного. При этом состав № 4 имеет наименьшую водопотребность, а также наибольшую активность в возрасте 28 суток, среди всех представленных.

Рис.1. Зависимость изменения удельной поверхности от времени помола и наличия ПАВ. 1 - помол совместно с С-3; 2 - помол без С-3.

Таблица 4. Экспериментальные составы

Все образцы изготовлены с одинаковой подвижностью 106 - 115 мм.

Ц - цемент; П - песок; О - отходы; В - вода.

Это свидетельствует о том, что свойства мелкозернистых бетонных смесей с ОМД зависят главным образом от трех факторов: от удельной поверхности, состава и количества ОМД в бетонной смеси. Также установлено, что совместный сухой помол отходов совместно с С-3 является оптимальным для получения ОМД.

Для оптимизации состава ОМД был использован метод математического планирования эксперимента. В качестве факторов варьирования были выбраны: удельная поверхность, состав и количество ОМД в составе смешанного вяжущего. Уровни варьирования факторов представлены в табл. 5.

Таблица 5. Факторы и уровни их варьирования

В результате обработки экспериментальных данных были получены трехфакторные квадратичные зависимости в кодовом и натуральном значении переменных: водопотребности (В) и прочности (R) мелкозернистого бетона, содержащего ОМД:

- зависимость водопотребности:

В = 197 + 6.5Х1 - 5.2Х2 - 3.4Х3 + 5.2Х12 - 7.4Х22 + 3Х32 - 1.5Х1 Х2 - 1.5Х1 Х3 + 0.5Х2 Х3

- зависимость прочности:

Rсж = 45.4 + 1.6Х1 + 0.86Х2 - 1.24Х3 - 3.5Х12 - 1.3Х22 - 4.6 Х32 - 0.35Х1 Х2 + 1.3Х1 Х3 + 0.43Х2 Х3

Анализ уравнений показывает, что водопотребность цементных паст повышается с увеличением содержания ОМД и ее удельной поверхности, а прочность зависит не столько от удельной поверхности ОМД, сколько от ее содержания в составе смешанного вяжущего.

Оптимизированный состав ОМД представлен в табл. 6.

Таблица 6. Оптимизированный состав ОМД

Свойства мелкозернистых бетонов зависят также и от гранулометрического состава ОМД. Для исследования влияния этого фактора на лазерном анализаторе размеров частиц были получены гранулометрические составы двух порошков - молотые отходы и молотые отходы совместно с порошком С-3 (ОМД). Гранулометрические составы представлены в табл. 7. Также представлен гранулометрический состав применяемого цемента.

Таблица 7. Гранулометрические составы

Рис.2. Гистограмма и интегральная кривая помолотых отходов без С-3.

Рис.3 Гистограмма и интегральная кривая помолотых отходов с С-3 (ОМД)

По полученным гранулометрическим составам отмечено, что при помоле с С-3 частиц в интервале 0,5 - 10 мкм образуется на 8 - 10 % больше, а частиц > 100 мкм на 7 - 9 % меньше, чем при помоле без С-3.

Как показали исследования, механохимическая активация позволила увеличить реакционную способность отходов, при помоле в присутствии С-3. В процессе помола волокна хризотила делятся по плоскостям спайности, распушаясь на еще более тонкие рис. Увеличение удельной поверхности волокон приводит к увеличению степени дисперсного армирования материала, что положительно сказывается на прочности при изгибе табл.4.

В табл. 8 представлены прочностные показатели контрольного и оптимизированного составов мелкозернистого бетона.

Таблица 8. Прочностные показатели мелкозернистого бетона

Для исследования влияния ОМД на структуру мелкозернистого бетона был проведен сравнительный рентгенографический анализ, затвердевших составов из табл. 8.

Рентгенофазовый анализ образцов показал повышенное содержание CaCO3 у образца № 2 на 8 - 10 % и CSH на 5 - 7 %. Также отмечается пониженное на 25 - 30 % содержание C3AH6, повышенное содержание которого в составе бетона негативно сказывается на его морозостойкости.

Представляет интерес исследование кинетики набора прочности в зависимости от содержания ОМД в составе мелкозернистого бетона. Для исследования этого были изготовлены образцы составов из табл. 8 для испытания в разные сроки твердения.

Экспериментальный кривая показывает, что в ранние сроки твердения (до 7 суток), наличие ОМД в составе мелкозернистого бетона замедляет набор прочности, но в более поздние сроки состав с ОМД активнее набирает прочность. Это обусловлено различием в гранулометрических составах цемента и ОМД табл.7.

Известно, что частицы размером 0 - 5 мкм оказывают решающее влияние на рост прочности в первые часы твердения, от частиц этого размера зависят сроки начала схватывания. Частицы размером 5 - 10 мкм влияют на прочность в 3 - 7 суток, а фракции >10 мкм определяют прочность в более поздние сроки твердения.

Рис.4. График набора прочности образцов: 1 - контрольного, 2 - с ОМД.

Также по стандартным методикам были испытаны пористость, водопоглощение и истираемость составов из табл.8. Результаты приведены в табл. 9.

Таблица 9

Показатели водопоглощения, пористости и истираемости

Морозостойкость определяли по ГОСТ 10060.2 - 95 «Бетоны. Ускоренные методы определения морозостойкости при многовариантном замораживании и оттаивании» по базовому методу № 2, как наиболее близкому к условиям работы этих бетонных элементов и конструкций.

Морозостойкость составов из табл. 7 соответствует марке F 200.

На основании исследований был разработан Технологический регламент на приготовление и применение добавки на основе отходов хризотилцементного производства, включающий следующие операции: складирование исходных компонентов, сушку, помол, подачу ОМД в бункер готовой продукции.

Опытно-производственное опробование и технико-экологическая оценка показали, что использование отходов хризотилцементного производства позволяет расширить сырьевую базу для производства мелкозернистых бетонов и способствовать решению экологической проблемы.

Основные выводы

1. Обоснована возможность создания эффективных мелкозернистых бетонов за счет использования отходов хризотилцементного производства в виде органоминеральной добавки, обеспечивающей повышение однородности, понижение капиллярной пористости и получение мелкокристаллических новообразований низко- и высокоосновных гидросиликатов, влияющих на прочностные показатели мелкозернистого бетона.

2. Разработана технология получения органоминеральной добавки на основе отходов хризотилцементного производства.

3. Установлена зависимость величины удельной поверхности органоминеральной добавки от длительности механохимической активации и наличия ПАВ.

4. С помощью методов РФА, ДТА и электронной микроскопии установлено, что механохимическая активация отходов хризотилцементного производства в присутствии ПАВ способствует интенсивному взаимодействию их с гидратными новообразованиями цемента с возникновением низко- и высокоосновных гидросиликатов.

5. С помощью метода математического планирования эксперимента были получены многофакторные квадратичные зависимости водопотребности и прочности мелкозернистых бетонов от удельной поверхности, состава и содержания органоминеральной добавки.

6. Установлено влияние органоминеральной добавки на кинетику набора прочности мелкозернистого бетона.

7. Разработаны составы мелкозернистого бетона с прочностью при сжатии 45,2 МПа, при растяжении 5,8 МПа и морозостойкостью F 200.

8. Проведено опытно-промышленное опробование на заводе ООО «Зацарицынское» г. Волгоград, для производства бетонных тротуарных плит в объеме 50 м3.

Основные публикации по теме диссертации

1. Попов К.Н., Межов А.Г. Проблема утилизации асбестоцементных изделий // Сб. трудов научных чтений, посвященных памяти Горчакова Г.И. и 75-летию с момента основания кафедры «Строительные материалы» МГСУ, 2009г., с. 207 - 209.

2. Козлов В.В., Попов К.Н., Межов А.Г., Лиляк А.И. Пути использования отходов хризотилцементного производства // Вестник МГСУ 1/2011 т.2. с. 284 - 287.

3. Орешкин Д.В., Попов К.Н., Лиляк А. И., Межов А.Г. Утилизация асбестоцементных отходов в строительстве // Вестник МГСУ 1/2011 т.2. с. 296 - 298.

4. Попов К.Н., Межов А.Г. Органоминеральная добавка на основе отходов хризотилцементного производства // Сб. трудов. Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» 2011г., с. 217 - 219.

5. Нейман С.М., Попов К.Н., Межов А.Г. Исследование свойств хризотилцементных кровельных листов различного срока эксплуатации // Строительные материалы № 5. - 2011., с. 23 - 27.

6. Козлов В.В., Попов К.Н., Межов А.Г. Активная минеральная добавка на основе отходов хризотилцементного производства // Сб. трудов. Международная научная конференция, посвященная 90-летию МГСУ-МИСИ, «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании», 2011 г., с. 345 - 347.

Размещено на Allbest.ur