WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


1

На правах рукописи

ЧЕРКАСОВ Владимир Сергеевич

ИЗДЕЛИЯ АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ

Специальность 05.23.05 Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет (БГТУ) им. В.Г. Шухова» Научный руководитель – кандидат технических наук Алфимова Наталия Ивановна Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Урханова Лариса Алексеевна кандидат технических наук, доцент Володченко Анатолий Николаевич Ведущая организация Липецкий государственный технический университет, г. Липецк

Защита состоится «29» июня 2012 года в 14 30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу:

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ им. В.Г. Шухова, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Автореферат разослан «29» мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Г.А. Смоляго

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одним из приоритетных направлений программы улучшения качества жизни населения является жилищное строительство, и в частности возведение индивидуального жилья. За последние годы общий ввод жилья увеличился в 1,4 раза, ввод индивидуальных жилых домов – в раза. Так, например, в Белгородской области с 2007 года ежегодно вводится в эксплуатацию более 1 млн м2 жилья. По объему введенного жилья в расчете на 1000 чел. населения Белгородская область на протяжении ряда лет входит в лидирующую десятку регионов России, а среди областей Центрального федерального округа занимает второе место после Московской области. В связи с этим испытывается острая потребность в качественных и недорогих мелкоштучных материалах.

Прессованные изделия автоклавного твердения в настоящее время по востребованности занимают третье место среди мелкоштучных стеновых материалов. Это, в свою очередь, привело к тому, что рынок силикатных изделий стал весьма насыщенным, с высоким уровнем конкуренции, подталкивающей предприятия отрасли к постоянному повышению качества выпускаемой продукции, что требует от производителей перехода на новые технологии и внедрения различных инноваций.

Одним из путей выхода из создавшейся ситуации является вовлечение в процесс производства техногенного сырья, такого, как отходы производства керамзита.

Диссертационная работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009–2013 годы): Мероприятие 1.3.1 «Проведение научных исследований молодыми учеными – кандидатами наук»: № 16.740.11.0770 «Создание высокоэффективных силикатных материалов автоклавного твердения с использованием наноструктурированных модификаторов».

Цель работы. Повышение эффективности производства мелкоштучных прессованных стеновых материалов автоклавного твердения за счет использования отходов производства керамзита.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

– изучение вещественного состава и отходов производства керамзита как сырьевого компонента при получении силикатных автоклавных материалов;

– изучение возможных способов введения керамзитовой пыли в состав сырьевой смеси, разработка оптимальных составов и режимов твердения силикатных материалов с применением техногенного сырья;

– исследование физико-механических свойств полученных материалов;

– подготовка нормативных документов для реализации теоретических и экспериментальных исследований и промышленная апробация.

Научная новизна работы. Разработаны принципы проектирования автоклавных прессованных материалов с использованием пирогенного алюмосиликатного сырья – отходов производства керамзитового гравия.

Алюмосиликатное пирогенное сырье, характеризующееся незавершенной стадией минералообразования, активируется в системе «СаО – SiO2 – H2O», что способствует формированию полиминеральных новообразований с оптимальным соотношением низко- и высокоосновных гидросиликатов кальция, обеспечивающих повышение морозо- и водостойкости автоклавных прессованных изделий. Установлена возможность снижения энерго- и материальных затрат на 40 % и/или увеличение прочностных характеристик изделий на 100 %.

Теоретически обоснованы возможные технологические этапы введения алюмосиликатного пирогенного сырья при производстве силикатных автоклавных материалов плотной структуры с учетом различной степени термальной обработки, уровня дисперсности, минерального и структурноморфологического составов исследуемого сырья. Показана эффективность введения керамзитовой пыли на стадии смешения компонентов силикатной смеси при частичной замене кварцевого сырья как заполнителя.

Установлены особенности фазово-структурного состояния алюмосиликатного сырья в зависимости от состава и свойств в ряду «глина керамзитовая пыль с электрофильтров керамзитовая пыль с сортировки», заключающиеся в последовательной деструкции слоистых алюмосиликатов. Отходы производства керамзита с электрофильтров, образующиеся при температуре 400–500 °С, представлены фазами незавершенной стадии минералообразования и являются техногенными аналогами природных глинистых сланцев. Отходы производства керамзита, образующиеся на стадии сортировки керамзитового гравия, обожженного при температуре 1130–1200 °С, по своему минеральному и структурному состоянию соответствуют природным эффузивно-пирокластическим алюмосиликатным горным породам и представлены стеклофазой.

Природное и техногенное пирогенное алюмосиликатное сырье, применяемое при производстве силикатных автоклавных материалов, проранжировано по степени эффективности его использования как компонента сырьевой силикатной смеси с учетом степени минеральных и кристаллохимических трансформаций в процессе термальной обработки в период его формирования (генетических либо техногенных воздействий). Установлено, что наибольшей реакционной способностью обладает техногенное алюмосиликатное сырье на стадии термической дегидратации.

Получены зависимости предела прочности при сжатии, средней плотности, водопоглощения и коэффициента размягчения плотных силикатных материалов автоклавного твердения от вида и количества отходов производства керамзита, количества СаОакт, давления автоклавирования и длительности изотермической выдержки, что позволяет определить оптимальные рецептурно-технологические параметры для обеспечения требуемых характеристик изделий.

Практическое значение работы. Доказана возможность улучшения формуемости и обеспечения выпуска высокоэффективных многопустотных силикатных изделий с четкой геометрией за счет введения отходов производства керамзита, способствующих повышению прочности сырца в 2–4 раза.

Разработаны составы силикатных автоклавных прессованных материалов с использованием керамзитовой пыли, позволяющие получать изделия с объемной однородной окраской, пределом прочности при сжатии до 33 МПа, коэффициентом размягчения 0,87, морозостойкостью до 50 циклов.

Предложены математические модели, позволяющие оптимизировать физико-механические показатели силикатных материалов с использованием отходов производства керамзита от технологических параметров производства, превосходящих по своим физико-механическим показателям традиционные известково-песчаные материалы.

Определены рациональные параметры гидротермальной обработки изделий с использованием керамзитовой пыли. Снижение себестоимости производства на 40 % происходит за счет снижения затрат на заполнитель и вяжущее (известь), уменьшения энергозатрат на автоклавную обработку, сокращения брака в процессе формования и расхода сырьевых компонентов при получении пустотных изделий.

Внедрение результатов исследований. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлялась на ООО «Экостройматериалы» (г. Белгород).

Для широкомасштабного внедрения результатов научноисследовательской работы разработаны следующие нормативные и технические документы:

– стандарт организации СТО 02066339-023–2012 «Мелкоштучные прессованные изделия автоклавного твердения с использованием отходов производства керамзита»;

– рекомендации по изготовлению силикатного кирпича с использованием отходов производства керамзита.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 270106, 270114, студентов бакалавриата и магистратуры, обучающихся по направлению «Строительство», что отражено в учебных программах дисциплины «Строительные материалы и изделия».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены: на III Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь в начале нового столетия» (г. Губкин, 2010 г.); на Международной научнопрактической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов (XIX Научные чтения)» (г. Белгород, 2010 г.); на Областной научно-практической конференции «Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее» (г. Белгород, 2010 г.); на II Международной научнопрактической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (г. Курск, 2011 г.); на Международных научно-практических конференциях молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (г. Белгород, 2011 г., 2012 г.); на 7-й Международной научно-практической конференции «Новейшие достижения европейской науки» (г. София, 2011 г.); на Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (г. Белгород, 2011 г.); на VIII Международной научнопрактической конференции «Дни науки – 2012» (г. Прага, 2012 г.).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в одиннадцати научных публикациях, в том числе в двух статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК России. Получено положительное решение на патент (заявка № 2011125730 от 22.06.11).

На защиту выносятся:

– принципы проектирования автоклавных прессованных материалов с использованием пирогенного алюмосиликатного сырья – отходов производства керамзитового гравия;

– особенности фазово-структурного состояния и свойств алюмосиликатного сырья в ряду термической истории «глина керамзитовая пыль с электрофильтров керамзитовая пыль с сортировки»;

– анализ технологических этапов введения алюмосиликатного пирогенного сырья при производстве силикатных автоклавных материалов плотной структуры;

– зависимости предела прочности при сжатии, средней плотности, водопоглощения и коэффициента размягчения плотных силикатных материалов автоклавного твердения от вида и количества отходов производства керамзита, количества СаОакт, давления автоклавирования и длительности изотермической выдержки;

– оптимальные составы сырьевой смеси и режимы автоклавной обработки в зависимости от вида керамзитовой пыли и требуемой марки изделий;

– показатели экономической эффективности проекта и результаты внедрения.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, приложений и библиографического списка. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста, включающего 28 таблиц, 26 рисунков и фотографий, списка литературы из 130 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Силикатный кирпич по ряду показателей уступает керамическому и мелкоштучным изделиям на основе портландцемента. Повысить его качество можно путем введения в состав сырьевой смеси домолотого кварцевого песка. Однако данная операция является неоправданной с позиции энергозатрат, в связи с чем актуальным становится использование компонентов, изначально имеющих высокую удельную поверхность, таких, как отходы производства керамзитового гравия.

В настоящее время по объемам потребления керамзитовый гравий занимает первое место среди легких заполнителей, его производство распространено по всей территории Российской Федерации. Отходы производства керамзита, представляющие собой тонкодисперсный порошкообразный материал, накапливаются в пылеосадительных системах и далее свозятся в отвалы, их утилизация представляет собой серьезную проблему.

Рассматриваемые отходы – это алюмосиликатные техногенные образования, которые представлены двумя видами тонкодисперсного сырья с различной термической историей. Первый вид образуется на стадии сушки гранул (пыль, осаждающаяся на электрофильтрах) при температуре 400– 500 °С, второй – на стадии сортировки керамзитового гравия после обжига при температуре 1130–1200 °С.

С целью рассмотрения возможности использования керамзитовой пыли в качестве компонента формовочной смеси для изготовления мелкоштучных прессованных материалов автоклавного твердения, а также выявления влияния высокотемпературного воздействия на изменение состава и свойств алюмосиликатного сырья в ряду «глина – керамзитовая пыль с электрофильтров – керамзитовая пыль с сортировки» был проведен комплексный анализ отходов и исходной породы, используемой для производства керамзитового гравия.

Исходной породой для производства керамзитового гравия является глина Ястребовского месторождения, которая, согласно результатам химического анализа, отличается повышенным содержанием кремнезема. В результате температурного воздействия соотношение оксидов в сырье меняется несущественно.

Анализ минерального состава глины и отходов производства керамзита показал, что алюмосиликатное сырье, образовавшееся при температуре 400– 500 °С, представлено незавершенными фазами структурообразования, с увеличением высокотемпературного воздействия возрастает концентрация рентгеноаморфного вещества, которое можно отнести к стеклофазе (рис. 1, табл. 1).

Рис. 1. Рентгенофазовый анализ алюмосиликатного сырья:

1 – глина; 2 – керамзитовая пыль с электрофильтров (КПэ);

3 – керамзитовая пыль с сортировки (КПс) Таблица Минеральный состав алюмосиликатного сырьяСодержание, % Наименование Иллит-монтмориллонит Кварц Стеклофаза Глина 59,9 40,1 – КПэ 51,2 39,3 9,КПс – 38,9 61,Согласно данным гранулометрического состава график распределения частиц по размерам керамзиКПэ КПс товой пыли с электрофильтров имеет прерывистый 3 характер с несколькими 2 пиками, смещенными в 1 сторону меньших частиц, в 0 то время как кривая пыли с сортировки – одномодальна, с плавным четким пиРазмер частиц, мкм ком в области частиц 16–Рис. 2. Гранулометрический состав керамзитовой мкм (рис. 2).

пыли Это согласуется с данными, полученными при анализе частиц с помощью РЭМ, согласно которого, частицы пыли с электрофильтров характеризуются более выдержанным гранулометрическим составом. Пыль с сортировки отличается существенно Получен путем обработки РФА методом Ритвельда.

Весовая доля частиц,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, расширенным размерным интервалом крупной фракции (рис. 3). Данный факт обусловлен спеканием частиц глины в процессе производства керамзитового гравия.

Помимо этого, было выявлено сни- а жение значений структурнозависимых свойств алюмосиликатного сырья с увеличением температуры воздействия (табл. 2).

Таким образом, установлены особенности фазово-структурного состояния алюмосиликатного сырья в ряду термической истории «глина керамзитовая пыль с электрофильтров б керамзитовая пыль с сортировки», заключающиеся в последовательной деструкции слоистых алюмосиликатов.

Отходы производства керамзита с электрофильтров, образующиеся при температуре 400–500 °С, представлены фазами незавершенной стадии минералообразования и являются техногенными аналогами природных глинистых сланцев. Отходы производства керамРис. 3. Общий вид частиц зита, образующиеся на стадии сорти керамзитовой пыли:

ровки керамзитового гравия, обожжена – с электрофильтров;

ного при температуре 1130–1200 С, по б – с сортировки своему минеральному и структурному состоянию соответствуют природным эффузивно-пирокластическим алюмосиликатным горным породам и представлены стеклофазой.

Таблица Свойства алюмосиликатного сырья Удельная Объем пор Удельная Сорбционная Наименование поверхность2 с радиусом поверхность1, способность3, м2/кг (метод БЭТ) меньше 94,6 нм мг СаО/г м2/кг см3/г Глина – 64300 0,024 1КПэ 670 23000 0,007 39,КПс 400 3100 0,002 Определена методом газопроницаемости на приборе ПСХ-2.

По данным SoftSorbi-II ver.1.0, БГТУ им. В.Г. Шухова.

Определена по ускоренному методу И.Д Запорожца.

Проведенный комплексный анализ отходов производства керамзита, позволил сформулировать рабочую гипотезу исследований, заключающуюся в возможности улучшения физико-механических показателей силикатного кирпича за счет введения в состав сырьевой смеси керамзитовой пыли.

При этом следует предположить, что наибольший эффект будет достигаться при использовании того алюмосиликатного сырья, в составе которого преобладают фазы незавершенной стадии структурообразования.

Исходя из того, что, помимо рецептурных, большое влияние на качество силикатного кирпича оказывают технологические параметры, был сделан анализ возможных способов и этапов введения керамзитовой пыли в состав сырьевой смеси.

Основным способом производства мелкоштучных прессованных изделий автоклавного твердения в настоящее время является кипелочный, при котором наиболее полно используется гидратационное твердение извести.

Керамзитовая пыль при данном способе может вводиться на этапе изготовления известково-кремнеземистого вяжущего (ИКВ) путем совместного помола компонентов или смешения с предварительно измельченной известью. В первом случае достигается равномерное распределение компонентов в ИКВ, однако вяжущее получается неоднородным по гранулометрии (с большим количеством крупных включений), что обусловлено высокой удельной поверхностью отходов производства керамзита. Во втором случае смесь получается однородной, но процесс изготовления существенно усложняется из-за налипания извести на стенки мельницы и помольные тела; на его осуществление требуются более длительные временные затраты и дополнительное оборудование для смешения компонентов ИКВ.

Помимо этого, керамзитовая пыль также может вводиться на этапе приготовления силикатной смеси взамен части кварцевого песка как заполнителя. Это позволит существенно экономить заполнитель и вяжущее и обеспечит возможность получения объемно окрашенных изделий с высокими физико-механическими характеристиками; при этом нет необходимости в закупке дополнительного оборудования для приготовления формовочной смеси. Недостатком в данном случае является необходимость контроля процесса смешения компонентов с целью обеспечения равномерности их распределения.

Таким образом, теоретически обоснованы возможные технологические этапы введения алюмосиликатного пирогенного сырья при производстве силикатных автоклавных материалов плотной структуры с учетом различной степени термической обработки, уровня дисперсности, минерального и структурно-морфологического составов исследуемого сырья. Показана эффективность введения керамзитовой пыли на стадии смешения компонентов силикатной смеси при частичной замене кварцевого сырья как заполнителя.

Известно, что в процессе выполнения технологических операций кирпичный сырец подвергается механическим воздействиям; это нередко, приводит к повреждению углов изделия или к его полному разрушению. Таким образом, одним из важнейших показателей в технологии является прочность сырца.

В производстве известково1,песчаного сили1,катного кирпича 1,прочность при 1,сжатии сырца обычно находится 0,в пределах 0,4– 0,0,5 МПа. Однако 0,этой прочности 0,бывает недостаточно, чтобы 0 5 15 Содержание керамзитовой пыли, % от песка полностью исРис. 4. Прочность при сжатии сырца в зависимости ключить брак в от количества СаОакт и керамзитовой пыли в смеси процессе формования и транспор––– СаОакт – 4 %; ––– СаОакт – 6 %; ––– СаОакт – 8 % ––– КПэ; – – – КПс тировки изделий.

В связи с этим были проведены исследования по определению влияния вида и количества отходов керамзита и вяжущего на данный показатель. Установлено, что прочность сырца на основе известково-песчаной смеси (контрольные образцы) при содержании СаОакт. 4, 6 и 8 % составила соответственно 0,29, 0,42 и 0,53 МПа (рис. 4). При 5 % замене песка на керамзитовую пыль прочность сырца увеличилась в 1,51,8 раза, при 15 % – в 2,4– 2,7 раза; 25% – в 3,4–4,2 раза.

Таким образом, увеличение доли СаОакт и отходов производства керамзита в смеси способствует повышению сырцовой прочности силикатного кирпича. Это обусловлено тем, что развитая поверхность керамзитовой пыли и вяжущего предопределяет увеличение числа контактов между частицами при уплотнении и связанное с этим повышение прочности сцепления и механического зацепления. Это позволит улучшить формуемость сырьевой смеси, снизить брак в процессе формования и обеспечит возможность выпуска высокоэффективных многопустотных изделий с четкой геометрией.

Разработка составов силикатных материалов производилась путем определения необходимого количества извести, керамзитовой пыли, а также длительности и давления при изотермической выдержке в автоклаве с помощью метода математического планирования эксперимента (табл. 3).

Прочность при сжатии, МПа Предел прочности при сжатии, МПа Таблица Условия планирования эксперимента Уровень Фактор варьирования Интервал Код. варьирования Натуральный вид –1 0 +вид Содержание керамзитовой пыли, % от песка Х1 5 15 25 Длительность изотермической выдержки, ч Х2 2 4 6 Давление автоклавирования, атм. Х3 6 8 10 Содержание СаОакт, мас. % Х4 4 6 8 Выходными параметрами для подбора рационального состава и технологических параметров служили: предел прочности при сжатии, средняя плотность, водопоглощение и коэффициент размягчения.

После статистической компьютерной обработки экспериментальных данных были получены зависимости физико-механических характеристик от варьируемых факторов (рис. 5).

Анализ полученных результатов показал, что использование отходов производства керамзита взамен части песка позволяет получить изделия с более высокими физико-механическими характеристиками по сравнению с изделиями, полученными по традиционной рецептуре и технологии. Известково-песчаные (контрольные) образцы с содержанием 8 мас. % СаОакт и запаренные при 10 атм. с длительностью изотермической выдержки 6 ч показали прочность при сжатии 16 МПа. Введение отходов производства керамзита способствовало увеличению прочности до 100 %. Так, например, замена песка на 15 % пыли с электрофильтров позволяет достичь прочности 23 МПа (см. рис. 5, 1; б), на 25 % – 32 МПа (см. рис. 5, 1; в), а при использовании пыли с сортировки – 21 и 25 МПа соответственно (см. рис. 5, 2; б, в).

При этом указанные значения были достигнуты при сокращенных параметрах автоклавной обработки.

Следует отметить, что наибольший прирост прочности достигается при использовании алюмосиликатного сырья, представленного незавершенными фазами структурообразования – керамзитовой пыли с электрофильтров.

Исследование характера новообразований с помощью термического анализа показало, что цементирующие соединения в образцах с добавлением отходов производства керамзита так же, как и в известково-песчаных (контрольных) образцах, представлены низкоосновными гидросиликатами кальция CSH(B). Смещение экзоэффекта для образцов с пылью в область более высоких температур (820–880 С) связано, вероятно, с образованием гидросиликатов более высокой основности.

На кривой ДТГ во всех образцах присутствует пик при температуре 440– 460 С, соответствующий дегидратации гидроксида кальция. Однако в образцах с 25 %-м содержанием отходов производства керамзита площадь пика уменьшается, что объясняется более полным связыванием извести за счет большей активности керамзитовой пыли в сравнении с кварцевым песком.

1 а 6,6,5,5,5,0 10,0 5,9,5 4,5 9,5 4,9,0 4,0 9,4,8,5 8,3,8,0 3,3,0 8,7,5 3,7,7,0 2,7,0 2,6,5 2,6,6,0 2,6,б 22 6,0 6,5,5 5,14 5,0 5,9,5 4,5 9,5 4,9,0 4,0 9,0 4,8,5 8,3,8,0 3,8,3,7,5 3,7,7,0 2,7,0 2,6,5 2,6,6,0 2,6,в 32 6,6,5,16 5,5,5,9,5 4,9,5 4,9,0 4,0 9,0 4,8,3,5 8,8,0 3,8,3,7,5 3,7,7,0 2,7,0 2,6,5 2,6,5 2,6,6, ––– СаОакт – 4 %; ––– СаОакт – 6 %; ––– СаОакт – 8 % Рис. 5. Номограммы зависимости прочности при сжатии силикатных изделий от вида (1 – КПэ; 2 – КПс), содержания керамзитовой пыли (а – 5 %; б – 15 %;

в – 25 %), содержания СаОакт, длительности изотермической выдержки и давления при автоклавировании Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности при сжатии, МПа Па М, и ати ж с при ости прочн ел ед Пр Па М, и ти при сжа сти прочно ел Пред ч ржки, ность ль Дав Давление при ав ле токл н автокл Длите и е при ав авировании, и.ической выде ров рм ан и и, атм атм изоте.

а П Па М, и и ат ж с и и сжатии, М пр и ост ности пр чн оч ро л пр л п де де ре Пре П ч, ь ки Дав ост рж ав ле Да то де н льн вление при автокла и кл е п те ав вы ри и ро ой Дли вировании ва н и ческ и и, ат рм м, атм.

те.

зо и При программном разложении профиля ИК-поглощения в интервале волновых чисел 800–1300 см–1 на элементарные спектральные профили волновые числа максимумов были соотнесены с литературными источниками (рис. 6).

На волновом плече или профиля поглощения Рис. 6. Результаты ИК-спектроскопии силикатных образцов с КПэ образцов с керамзитовой пылью с электрофильтров были обнаружены полосы, соответствующие кремнекислородным слоям, цепям диортогрупп и изолированным кремнекислородным тетраэдрам. Учитывая тот факт, что высокоосновные гидросиликаты кальция представляют из себя в основном островные силикаты, обнаруженные полосы поглощения кремнекислородных тетраэдров с безмостиковой и/или с одной связью логично могут быть отнесены к структурному мотиву высокоосновных гидросиликатов кальция, в частности -С2SH. Это свидетельствует о том, что частичная замена песка на алюмосиликатное сырье, представленное незавершенными фазами структурообразования, способствует формированию полиминеральной системы с новообразованиями различной основности.

Анализ характера новообразований, выполненный с помощью РЭМизображений, показал, что в образцах контрольного состава после автоклавирования по традиционному режиму (2+6+2, давление 10 атм.) основная масса сложена дощатыми и пластинчатыми новообразованиями, образующими сростки (рис. 7, а). Исходя из формы и морфологии формирующихся кристаллов, их можно отнести к микрокристаллическим низкоосновным гидросиликатам кальция тоберморитовой группы. В образцах с использованием отходов производства керамзита, прошедших автоклавирование при давлении 6 атм., наблюдается уменьшение размера новообразований (рис. 7, б, в), это можно объяснить высокой дисперсностью керамзитовой пыли, обусловливающей ее бльшую реакционную способность при автоклавировании (значительно увеличивается растворимость силикатной и алюминатной частей, а также скорость протекающих реакций).

Таким образом, при применении керамзиа товой пыли при производстве силикатных автоклавных материалов в конечных изделиях формируется плотная матрица, созданию которой способствует образование прочных сростков из микро- и субмикрокристаллических гидросиликатов кальция, имеющих высокую дисперсность и большую поверхность соприкосновения, обеспечивающих хорошую адгезию к зернам заполнителя. Все это способствует приросту прочности на 100 %.

Оптимизация структуры новообразований б за счет введения в силикатную систему отходов производства керамзита не могла не отразиться на эксплуатационных характеристиках конечных изделий.

Согласно результатам по испытанию на воздухостойкость, контрольные образцы, изготовленные по традиционной рецептуре, после 100 циклов попеременного увлажнениявысушивания имеют 18,1 % потерь прочности, в то время как максимальные потери прочнов сти для образцов с частичной заменой кварцевого песка на отходы производства керамзитового гравия составили 14,3 %, что является вполне допустимым показателем. Необходимо также отметить, что при использовании керамзитовой пыли с электрофильтров прочность образцов снизилась значительно меньше, а в некоторых случаях наблюдался прирост. Это можно объяснить наличием в их составе высокоосновных гидросиликатов кальция, которые являются более стойкими к воздействию попеРис. 7. Микроструктура ременного увлажнения-высушивания.

новообразований силикатных Данные, полученные после испытания обобразцов:

разцов на водостойкость показали, что силиа – контрольный состав;

б – состав с 25 % КПэ; катные материалы, изготовленные с использов – состав с 25 % КПс ванием отходов производства керамзитового гравия после двух лет пребывания в воде теряют от 0 до 4 % от первоначальной прочности.

Необходимо отметить, что у образцов с 15 %-м содержанием керамзитовой пыли с электрофильтров наблюдается незначительный прирост прочности после года выдерживания в воде, что, возможно, обусловлено гидравлическими свойствами полученного материала.

Испытания на морозостойкость полученных образцов показали, что частичная замена кварцевого песка на отходы производства керамзитового гравия, благодаря их высокой дисперсности, ведет к повышению плотности и прочности изделий (табл. 4). Вследствие этого в структуре силикатного кирпича формируется большое количество микрокапилляров, в которых вода не замерзает, что значительно повышает его морозостойкость.

Таблица Морозостойкость силикатных изделий Предел прочности при сжатии и его процентное изменение после попеременного замораживания-оттаивания 15 циклов 25 циклов 35 циклов 50 циклов МПа % МПа % МПа % МПа % Составы с керамзитовой пылью с электрофильтров 1 25 8 6 6 31,2 25,3 0,81 40,6 +30,1 38,4 +23,0 35,7 +14,4 31,7 +1,2 25 4 6 6 25,2 22,4 0,89 31,5 +25,0 29,2 +15,9 25,8 +2,4 23,2 –7,3 15 8 2 8 21,1 15,0 0,71 22,2 +5,2 20,6 –2,4 19,5 –7,6 17,8 –15,4 15 6 4 6 16,9 16,6 0,98 24,6 +45,6 23,3 +37,9 21,8 +29,0 17,8 +5,Составы с керамзитовой пылью с сортировки 5 25 8 6 6 27,8 23,9 0,86 32,6 +1,20 30,2 +1,08 26,3 –5,7 23,6 –12,6 25 4 2 6 15,6 11,5 0,74 14,9 –4,5 13,9 –10,9 11,4 –26,91 – – 7 15 6 4 6 16,3 12,6 0,77 16,4 –0,6 15,7 –3,7 14,1 –13,5 13,3 –18,8 15 4 2 8 14,1 9,9 0,70 13,0 –7,8 12,0 –14,9 9,8 –30,51 – – У состава № 4 после 15 циклов попеременного замораживанияоттаивания прочность увеличилась на 45,6 %. Данный образец был получен при сокращении длительности изотермической выдержки на 2 ч и давления автоклавирования на 4 атм. В таких условиях в большом количестве образуются высокоосновные гидросиликаты кальция, которые отличаются пониженной прочностью в сравнении с низкоосновными, однако имеют высокие показатели морозо- и водостойкости.

Прирост прочности на 30,1 и 25,0 % у составов № 1 и 2 можно также объяснить наличием в их составе высокоосновных гидросиликатов кальция, которые (исходя из высокой начальной прочности образцов) образовались в процессе испытания на морозостойкость при увлажнении за счет взаимо Потери прочности превышают требования ГОСТ 379–95. Кирпич и камни силикатные.

ак МПа № п/п.

Давление Длительность состоянии, МПа в водонасыщенном Количество КП, % автоклавирования, атм.

Содержание СаО мас.% в естественном состоянии, Коэффициент размягчения изотермической выдержки, ч Предел прочности при сжатии Предел прочности при сжатии действия непрореагировавших во время автоклавной обработки керамзитовой пыли и извести.

С целью выявления комплексного воздействия агрессивных факторов окружающей среды на физико-механические характеристики разработанных материалов была заформована серия образцов, которая выдерживалась на открытом воздухе в течение года. Анализ полученных результатов показал, что со временем происходит уплотнение образцов силикатных материалов, связанное с процессом карбонизации непрореагировавшей извести (рис. 8, а). Минимальное увеличение средней плотности после 6 мес выдерживания на открытом воздухе наблюдалось у образцов, изготовленных с использованием отходов производства керамзита с электрофильтров, максимальное – у контрольных образцов, полученных по традиционной рецептуре и технологии. Это объясняется бльшей начальной средней плотностью образцов, изготовленных с использованием керамзитовой пыли, что способствует замедлению интенсивности процесса проникновения СО2 в толщу композита, а также меньшим содержанием непрореагировавшей в процессе автоклавной обработки Са(ОН)2 в данных образцах. Необходимо отметить, что с течением времени за счет уплотнения верхних слоев материала, препятствующих проникновению углекислоты внутрь композита, процесс нарастания плотности затухает.

а б Рис. 8. Изменение во времени средней плотности (а) и предела прочности при сжатии (б) силикатных образцов 1:

1 – контрольные; 2 – с 25 % КПс; 3 – с 25 % КПэ Наравне с увеличением средней плотности также происходит незначительное увеличение предела прочности при сжатии (рис. 8, б). Максимальный прирост соответствует контрольным образцам, изготовленным с применением традиционной рецептуры и режима.

Следует также отметить, что после года хранения на открытом воздухе Указаны средняя плотность и предел прочности при сжатии в естественном состоянии.

видимых повреждений обнаружено не было, цвет композитов, изготовленных с использованием керамзитовой пыли не изменился.

Как известно, по споа собности противостоять высоким температурам силикатный кирпич значительно уступает керамическому кирпичу. В связи с этим было изучено поведение силикатных материалов, изготовленных с использованием отходов производства керамзита б при высокотемпературном воздействии.

Анализ полученных результатов показал, что в случае частичной замены песка на отходы производства керамзитового гравия, прирост прочности образцов после выдерживания при температуре 200 °С составил в 44,3 % при использовании пыли с электрофильтров (рис. 9, б) и 72,4 % – с сортировки (рис. 9, в), в то время как образцы на традиционном сырье упрочнились всего на 4,4 %. Это можно объяснить тем, что при температуре порядка 200 °С Рис. 9. Изменение прочности силикатных изделий создаются условия, спопосле высокотемпературного воздействия:

собствующие химическоа – силикатные материалы (контрольный);

му взаимодействию гидб – силикатные материалы с 15 % КПэ;

в – силикатные материалы с 15 % КПс роксида кальция с активным минеральным компонентом, в результате чего образуются дополнительных соединения. Исходя из того, что керамзитовая пыль имеет бльшую удельную поверхность, чем кварцевый песок, данные процессы протекают более интенсивно, что способствует значительному росту прочности (рис. 9, б, в).

Разницу в приросте прочности между образцами с использованием керамзитовой пыли с электрофильтров и пылью, образующейся при сортировке, можно объяснить более высокой удельной поверхностью первой. Это обеспечивает ее бльшее связывание в процессе автоклавной обработки, что и способствует меньшему приросту прочности при выдерживании при 200 °С.

При температуре 550 °С, соответствующей разложению гидросиликатов кальция и несвязанной гашеной извести, у контрольных образцов наблюдается снижение прочности на 31,3 % (рис. 9, а). При этом образцы с керамзитовой пылью показали прирост прочности на 17,7 (КПэ) и 41,7 (КПс) %, что вызвано более полным связыванием Ca(OH)2 в процессе автоклавной обработки при частичной замене песка на сырье с большей удельной поверхностью и, как следствие, реакционной способностью. Необходимо так же отметить, что остаточная прочность контрольных образцов при температуре 1100 °С более чем в 2 раза ниже, чем у образцов, изготовленных с использованием техногенного алюмосиликатного сырья. При этом наименьший сброс прочности был зафиксирован у силикатных материалов с керамзитовой пылью с сортировки, что обусловлено наличием в ее составе высокотемпературных минералов, образовавшихся при обжиге керамзитовых гранул.

Помимо повышения физико-механических характеристик, введение керамзитовой пыли положительно сказывается на внешнем виде изделий – они приобретают стойкую однородную окраску, интенсивность которой зависит от соотношения компонентов в смеси и не изменяется в процессе автоклавирования.

В зависимости от требуемой марки изделий были подобраны рациональные составы силикатных смесей в сочетании с режимами гидротермальной обработки (табл. 5), которые позволяют обеспечить минимальные материальные и энергетические затраты. Также предложена технологическая схема производства.

Таблица Составы силикатных смесей в сочетании с режимами автоклавирования ДлительСредняя Вид Содержа- ность Давление КоэффиСодер- плотность ВодопоМарка керам- ние изотерми- автокла- циент жание в сухом глощение, изделия зитовой СаОакт, ической вирова- размягчесостоя- % пыли КП, % мас. % выдержки, ния, МПа ния нии, кг/мч 1 2 3 4 5 6 7 8 300 КПэ 25 8 6 6 1915 10,35 0,8 4 6 1908 10,93 0,КПэ 25 6 5,6 6 1958 9,43 0,24 6 6 1971 8,46 0,КПс 25 4 4 6 1856 11,8 0,Окончание табл. 1 2 3 4 5 6 7 8 25 8 2 6 1893 11,40 0,200 КПэ 15 8 2 8 1957 7,78 0,8 2 10 1909 8,63 0,25 6 6 6 1954 7,47 0, КПс 4 2,4 8,8 1880 11,30 0,15 8 5,2 6,4 1895 9,97 0,25 4 2 6 1932 10,89 0,КПэ 6 4,8 6 1960 9,52 0,175 4 5,2 6 1957 9,00 0, 25 4 2 8,4 1886 11,40 0,КПс 15 8 2 9,2 1966 7,45 0,5 8 2,8 9,2 1897 9,7 0,15 6 3,2 6 1954 9,80 0,КПэ 25 4 2 6 1932 10,89 0,115 4 2,4 8,8 1932 8,62 0,КПс 5 8 2 8,4 1919 9,35 0,КПэ 5 8 5,2 6 1881 10,68 0,1КПс 15 4 2 8 1935 9,25 0,6 2 9,2 1932 6,89 0,КПэ 4 5,6 6 1879 9,80 0,16 2,4 8 1914 9,50 0,КПс 4 2 7,6 1875 10,30 0,6 2,4 6 1898 9,88 0,КПэ 75 4 3,6 6 1879 10,04 0,КПс 5 6 2 7,6 1927 9,27 0,Таким образом, разработаны принципы проектирования автоклавных прессованных материалов с использованием пирогенного алюмосиликатного сырья – отходов производства керамзитового гравия. Алюмосиликатное пирогенное сырье, характеризующееся незавершенной стадией минералообразования, активируется в системе «СаО – SiO2 – H2O», что способствует формированию полиминеральных новообразований с оптимальным соотношением низко- и высокоосновных гидросиликатов кальция, обеспечивающих повышение морозо- и водостойкости автоклавных прессованных изделий. Установлена возможность снижения энерго- и материальных затрат на 40 % и/или увеличение прочностных характеристик изделий на 100 %.

Полученные результаты могут быть использованы при прогнозировании свойств силикатных материалов в зависимости от рецептурнотехнологических параметров в случае использования других видов техногенного алюмосиликатного сырья либо выявленных природных аналогов отходов производства керамзита – глинистых сланцев, эффузивнопирокластических алюмосиликатных горных пород и др.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ Разработаны принципы проектирования автоклавных прессованных материалов с использованием пирогенного алюмосиликатного сырья – отходов производства керамзитового гравия. Алюмосиликатное пирогенное сырье, характеризующееся незавершенной стадией минералообразования, активируется в системе «СаО – SiO2 – H2O», что способствует формированию полиминеральных новообразований с оптимальным соотношением низко- и высокоосновных гидросиликатов кальция, обеспечивающих повышение морозо- и водостойкости автоклавных прессованных изделий. Установлена возможность снижения энерго- и материальных затрат на 40 % и/или увеличение прочностных характеристик изделий на 100 %.

Теоретически обоснованы возможные технологические этапы введения алюмосиликатного пирогенного сырья при производстве силикатных автоклавных материалов плотной структуры с учетом различной степени термальной обработки, уровня дисперсности, минерального и структурноморфологического составов исследуемого сырья. Показана эффективность введения керамзитовой пыли на стадии смешения компонентов силикатной смеси при частичной замене кварцевого сырья как заполнителя.

Установлены особенности фазово-структурного состояния алюмосиликатного сырья в зависимости от состава и свойств в ряду «глина керамзитовая пыль с электрофильтров керамзитовая пыль с сортировки», заключающиеся в последовательной деструкции слоистых алюмосиликатов. Отходы производства керамзита с электрофильтров, образующиеся при температуре 400–500 °С, представлены фазами незавершенной стадии минералообразования и являются техногенными аналогами природных глинистых сланцев. Отходы производства керамзита, образующиеся на стадии сортировки керамзитового гравия, обожженного при температуре 1130–1200 °С, по своему минеральному и структурному состоянию соответствуют природным эффузивно-пирокластическим алюмосиликатным горным породам и представлены стеклофазой.

Природное и техногенное пирогенное алюмосиликатное сырье, применяемое при производстве силикатных автоклавных материалов, проранжировано по степени эффективности его использования как компонента сырьевой силикатной смеси с учетом степени минеральных и кристаллохимических трансформаций в процессе термальной обработки в период его формирования (генетических либо техногенных воздействий). Установлено, что наибольшей реакционной способностью обладает техногенное алюмосиликатное сырье на стадии термической дегидратации.

Получены зависимости предела прочности при сжатии, средней плотности, водопоглощения и коэффициента размягчения плотных силикатных материалов автоклавного твердения от вида и количества отходов производства керамзита, количества СаОакт, давления автоклавирования и длительности изотермической выдержки, что позволяет определить оптимальные рецептурно-технологические параметры для обеспечения требуемых характеристик изделий.

Доказана возможность улучшения формуемости и обеспечения выпуска высокоэффективных многопустотных силикатных изделий с четкой геометрией за счет введения отходов производства керамзита, способствующих повышению прочности сырца в 2–4 раза.

Разработаны составы силикатных автоклавных прессованных материалов с использованием керамзитовой пыли, позволяющие получать изделия с объемной однородной окраской, пределом прочности при сжатии до 33 МПа, коэффициентом размягчения 0,87, морозостойкостью до 50 циклов.

Предложены математические модели, позволяющие оптимизировать физико-механические показатели силикатных материалов с использованием отходов производства керамзита от технологических параметров производства, превосходящих по своим физико-механическим показателям традиционные известково-песчаные материалы.

Определены рациональные параметры гидротермальной обработки изделий с использованием керамзитовой пыли. Снижение себестоимости производства на 40 % происходит за счет снижения затрат на заполнитель и вяжущее (известь), уменьшения энергозатрат на автоклавную обработку, сокращения брака в процессе формования и расхода сырьевых компонентов при получении пустотных изделий.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Алфимова, Н.И. К проблеме оценки пригодности техногенного сырья для производства строительных материалов / Н.И. Алфимова, В.С. Черкасов // Наука и молодежь в начале нового столетия: сб. материалов конф. III Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, Губкин 8–9 апр. 2010 г. / Губкинский филиал Белгор. гос. технол. ун-та. – Губкин: Изд-во БГТУ, 2010. – С. 31–33.

2. Повышение эффективности композиционных вяжущих за счет использования отходов производства керамзита и оптимизации режимов твердения / Н. И. Алфимова, Я.Ю. Вишневская, В.С. Черкасов [и др.] // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов (XIX Научные чтения):

Междунар. науч.-практ. конф., Белгород, 5–8 окт. 2010 г. – Белгород : Издво БГТУ, 2010. – Ч.1. – С. 36–38.

3. Алфимова, Н.И. Перспективы использования отходов производства керамзита в строительном материаловедении / Н.И. Алфимова, В.С. Черкасов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2010. – № 3. – С. 21–24.

4. Алфимова, Н.И. Керамзитовая пыль как компонент композиционных вяжущих / Н.И. Алфимова, В.С. Черкасов, О.С. Абросимова // Белгородская область: прошлое, настоящее и будущее: Обл. науч.-практ. конф.: в 3 ч., Белгород, 22 дек. 2010 г. / Белгород. гос. технол. ун-т. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. – Ч.3. – С. 3–6.

5. Черкасов, В.С. Повышение эффективности силикатных материалов за счет использования отходов производства керамзита / В.С. Черкасов, Н.Н. Шаповалов // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях:

материалы II Междунар. науч.-практ. конф., Курск, 19–20 мая 2011 г. / ЮгоЗап. гос. ун-т. – Курск, 2011. – С. 405–408.

6. Алфимова, Н.И. Влияние рецептурных параметров на сырцовую прочность силикатных материалов автоклавного твердения / Н.И. Алфимова, В.С. Черкасов, Н.Н. Шаповалов // [Электронный ресурс]: Междунар. науч.техн. конф. молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, 24 мая 2011 г. / Белгород. гос. технол. ун-т. – Белгород, 2011.

7. Черкасов, В.С. Влияние качественных характеристик сырьевых компонентов на свойства силикатного кирпича / В.С. Черкасов, Н.Н. Шаповалов // Найновите постижения на европейската наука: материали за 7-а Международна научна практична конференция, София, 17–25-ти юни 2011 г., – София: «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2011. – Т. 39. Селско стопанство. Здание и архитектура. – С. 93–96.

8. Алфимова, Н.И. Оптимизация состава сырьевой смеси для производства силикатных материалов / Н.И. Алфимова, В.С. Черкасов, Н.Н. Шаповалов // Инновационные материалы и технологии: Междунар. науч.-практ.

конф., Белгород, 11–12 окт. 2011 г. – Белгород : Изд-во БГТУ, 2011. – Ч. 1. – С. 21–24.

9. Прессованные материалы автоклавного твердения с использованием отходов производства керамзита / В.В. Строкова, Н.И. Алфимова, В.С. Черкасов [и др.] // Строительные материалы. – 2012. – № 3 – С. 14–15.

10. Строкова, В.В. Оптимизация параметров автоклавной обработки силикатных материалов / В.В. Строкова, В.С. Черкасов, Н.Н. Шаповалов // Dny vdy – 2012: VIII Mezinrodn vdecko – praktick konference, Praha, 27 bezen–05 dubna 2012 r. – Praha: Publishing House «Education and Science», 2012 – D. 88. Vstavba a architektura. – Р. 35–37.

12. Положительное решение на патент «Сырьевая смесь для изготовления силикатного кирпича» / Н.И. Алфимова, В.С. Черкасов, П.В. Трунов, Н.Н. Шаповалов, М.А. Попов (заявка № 2011125730 от 22.06. 11).

ЧЕРКАСОВ Владимир Сергеевич ИЗДЕЛИЯ АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ Специальность 05.23.05 Строительные материалы и изделия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 25.05.12. Формат 6084/16. Усл. печ. л. 1,5.

Уч.-изд. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова г. Белгород, ул. Костюкова,







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.