Мелкозернистые бетоны на композиционных вяжущих и техногенных песках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, доктор технических наук Лесовик, Руслан Валерьевич

• Лесовик, Руслан Валерьевич
• доктор технических наук
• 2009

Оглавление диссертации доктор технических наук Лесовик, Руслан Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Специфика свойств и применения мелкозернистых бетонов.

1.2. Традиционная сырьевая база мелкого заполнителя бетонов.

1.2.1. Состояние и перспективы развития сырьевой базы природных песков.

1.2.2. Генетические особенности месторождения природных песков.

1.2.3. Форма зерен песков в зависимости от генезиса.

1.3. Опыт исследования и применения мелкозернистых промышленных отходов как заполнителей бетонов.

1.4. Особенности синтеза матрицы с использованием техногенных песков.

1.5. Повышение эффективности производства мелкозернистого бетона.

1.5.1. Ин тенсифи к а г / и я процессов синтеза цементного камня.

1.5.2. Оптимизация структуры бетона за счет высокоплотных составов зернистого сырья.

1.6. Выводы.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА ТЕХНОГЕННЫХ ПЕСКОВ.

2.1. К проблеме использования техногенных песков при производстве композиционных вяжущих и мелкозернистых бетонов.

2.2. Классификация техногенных песков как сырьевой базы промышленности строительных материалов.;

2.3. Влияние техногенного воздействия на свойства механогенных песков в зависимости от генетических типов исходных пород

2.3.1. Состав и свойства отходов мокрой магнитной сепарации.

2.3.2. Особенности отсевов дробления скальных пород в зависимости от га состава.

2.3.3. Состав и свойства отсевов дробления валунно-песчано-гравийных смесей.

2.3.4. Свойства отходов алмазообогащения.

2.4. Морфология зерен и поверхность частиц техногенных песков в зависимости от состава.

2.5. Активность поверхности техногенных песков, как компонентов вяжущих и бетонов.

2.5.1. Активные центры на поверхности заполнителей.

2.5.2. Размолоспособностъ техногенных песков различных генетических типов.

2.5.3. Влияние термообработки техногенных песков на размолоспособностъ.

2.6. Водо- и цементопотребность техногенных песков в зависимости от генетических типов исходных пород.

2.7. Выводы.

3. ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ И ПРОЦЕССОВ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ в ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОСТАВА КОМПОНЕНТОВ.

3.1. Особенности синтеза композиционных вяжущих.

3.2. Энергоемкость помола компонентов при производстве композиционных вяжущих в зависимости от вида компонентов ВНВиТМЦ.'.

3.3. Процессы взаимодействия в контактной зоне.

3.3.1. Сцепление между минеральными компонентами и цементным камнем.

3.3.2. Пластическая прочность системы тонкодисперсная минеральная добавка — вяжущее».

3.3.3. Адгезия цементного камня в зависимости от состава заполнителя.

3.4. Зависимость реологических свойств и агрегативной устойчивости композиционных вяжущих от вида минеральной составляющей

3.4.1. Выбор пластифицирующих добавок для получения композиционных вяжущих.

3.4.2. Подбор оптимального содержания добавок в зависимости от типа техногенного песка и состава ТМЦ и ВНВ.

3.4.3. Предельные напряжения сдвига и пластическая вязкость вяжущих с использованием техногенного сырья.

3.4.4. Седиментационная и агрегативная устойчивость ТМЦ и

3.4.5. Влияние суперпластификаторов на электрокинетический потенциал композиционных вяэ/сущих.

3.4.6. Адсорбция суперпластификатора в композиционных вяжущих в зависимости от метода введения.

3.5. Состав и свойства композиционных вяжущих.

3.5.1. Свойства композиционных вяжущих в зависимости от состава.

3.5.2. Использование термообработанных техногенных песков как компонента ВНВ.

3.5.3. Особенности твердения композиционных вяжущих с использованием в качестве кремнеземистого компонента техногенных песков.

3.6. Выводы.

4. РАЗДЕЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ

4.1. Выбор кремнесодержащего компонента для получения нанодисперсного модификатора.

4.1.1. Теоретические предпосылки методики определения характеристик кварца, как кремнесодержащего компонента вяжущих.

4.1.2. Влияние микроструктурных характеристик кварца различного генезиса на его реакционную активность композиционных вяжущих.

4.2. Технология производства нанодисперсного модификатора.

4.2.1. Теоретические предпосылки получения нанодисперсного модификатора.

4.2.2. Свойства добавки в зависимости от характеристик кварца

4.3. Свойства композиционных вяжущих в зависимости от вида и количества добавки.

4.3.1. Методика подбора состава композиционных вяжущих.

4.3.2. Свойства композиционных вяжущих в зависимости от вида нанодисперсного модификатора.

4.4. Влияние нанодисперсных модификаторов на структуру новообразований.

4.5. Влияние нанодисперсных модификаторов на пожаростойкость цементного камня.

4.6. Выводы.

5. ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ МЕЖОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА

5.1. Алгоритм оптимизации процесса проектирования состава мелкозернистого бетона.

5.2. К проблеме исследования микроструктурных характеристик матрицы.

5.2.1. Микростроение композитов в зависимости от состава.

5.2.2. Анализ изменения микроструктурных характеристик матрицы вяжущих в зависимости от состава ТМЦ и ВНВ.

5.2.3. Количественный анализ микроструктуры композитов на основе ВНВ и ТМЦ по их изображениям в растровом электронном микроскопе.

5.3. Повышение эффективности мелкозернистого бетона за счет оптимизации гранулометрии техногенного песка.

5.3.1. Определение предельной плотности упаковки зерен моно- и полидисперсного заполнителя.

5.3.2. Зависимость свойств бетонов от системы распределения зерен в смеси.

5.3.3. Расчет плотнейшей упаковки мелкого заполнителя на основе отсева дробления кварцитопесчаника.

5.3.4. Расчет состава фракций для получения высокоплотной упаковки обогащенных песков.

5.4. Расчетно-теоретическое обоснование получения композиционных материалов каркасной структуры с использованием высоко-проникшощих смесей.

5.4.1. Структурные особенности формирования каркасных композитов.

5.4.2. Гидравлические аспекты получения каркасных композитов.

5.4.3. Обоснование использования модельной системы для определения проникающей способности пропиточных композиций.

5.5. Управление структурообразованием с использованием магнитной обработки бетонных смесей.

5.6. Выводы.

6. МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН ДЛЯ ДОРОЖНОГО

СТРОИТЕЛЬСТВА НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ПЕСКОВ.

6.1. Свойства мелкозернистых бетонов в зависимости от состава минеральных добавок.

6.2. Повышение эффективности мелкозернистого бетона для строительства оснований автомобильных дорог за счет применения композиционных вяжущих.

6.2.1. Укатываемый мелкозернистый бетон для устройства оснований.

6.2.2. Высокопроникающие смеси для укрепления щебеночных' оснований.

6.3. Мелкозернистый бетон для строительства покрытий автомобильных дорог с применением композиционных вяжущих.

6.3.1. Разработка составов для нижнего слоя покрытий.

6.3.2. Высокопрочный бетон для верхнего слоя покрытий.

6.4. Выводы.

7. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО И ГРАЖДАНСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА.

7.1. Малые архитектурные формы на основе мелкозернистых бетонов.

7.1.1. Роль функционально-художественных элементов благоустройства.

7.1.2. Разработка составов мелкозернистого бетона для производства малых архитектурных форм.

7.1.3. Исследование прочности строительных конструкций для малых архитектурных форм.

7.2. Железобетонные конструкции на основе мелкозернистого бетона

7.2.1. Мелкозернистые бетоны для энергетического строительства.

7.2.2. Мелкозернистые бетоны для мостовых конструкций.

7.3. Разработка составов для производства мелкоштучных изделий на основе отсева дробления валунно-песчано-гравийных смесей.

7.3.1. Требования, предъявляемые к стеновым камням цементным .•

7.3.2. Состав и свойства бетонных смесей в зависимости от модификации стеновых камней цементных.

7.3.3. Особенности структурообразования мелкозернистого бетона на основе полиминеральных техногенных песков.

7.4. Выводы.

8. ВНЕДРЕНИЕ И ТЭО ПРИМЕНЕНИЯ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ПЕСКОВ.

8.1. | Внедрение результатов диссертации.

8.1.1. Внедрение при составлении специального Технического

Регламента.

8.1.2. Внедрение при составлении проектов национального стандарта.

8.2. Технология производства композиционных вяжущих с использованием техногенных песков.

8.3. Апробация теоретических и экспериментальных исследований в дорожном строительстве.

8.3.1. Технология устройства укрепленного щебеночного основания с применением пескоцементноii смеси.

8.3.2. Устройство укрепленного основания автомобильной дороги с использованием высокопроникаюгцих смесей.

8.3.3. Сравнительная характеристика энергоемкости производства дорожно-строительных материалов с использованием отходов ММС.'

8.3.4. Экономическая эффективность перехода на строительство укрепленных оснований с использованием отходов ММС железистых кварцитов.

8.4. Расчетно-теоретическое обоснование получения покрытий автомобильных дорог из укатываемого бетона.

8.4.1. Технология устройства оснований и покрытий автомобильных дорог с использованием укатываемого бетона.

8.4.2. Расчет вариантов дорожной одежды и экономии материальных затрат при использовании укатываемого бетона на основе техногенных песков.

8.5. Использование мелкозернистого бетона при производстве малых архитектурных форм.

8.6. Применение мелкозернистого бетона для производства железобетонных конструкций.

8.6.1. Мелкозернистые бетоны для производства лотков теплотрасс.

8.6.2. Мелкозернистый бетон для гидротехнического строительства.

8.7. Внедрение мелкозернистого бетона при получении мелкоштучных стеновых изделий.

8.7.1. Технология производства стеновых камней цементных.

8.7.2. Реализация результатов исследований при производстве стеновых камней цементных.

8.7.3. Технико-экономическое обоснование внедрения результатов исследований.

8.8. Внедрение в учебный процесс и при подготовке кадров высшей квалификации.

8.9. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мелкозернистые бетоны на композиционных вяжущих и техногенных песках»

Для реализации национального приоритетного проекта по жилищному строительству необходимо в ближайшие годы удвоить производство цемента, щебня, песка и других строительных материалов. Это невозможно осуществить из-за отсутствия традиционной сырьевой базы промышленности строительных материалов.

В результате нерационального и некомплексного освоения недр в XX столетии образованы десятки тысяч техногенных месторождений рыхлого зернистого сырья, которые изменили геоморфологию земной поверхности, привели к нарушению гидрогеологического строения территорий, пылению и т.д. При добыче и переработке полезных ископаемых, дроблении пород на щебень образуются большие объемы техногенных песков, складирование которых требует отвода значительных площадей, приводит к изменению рельефа, нарушению инженерно-геологических, гидрогеологических и эколого-геологических условий района размещения хранилища отходов.

Решение проблем реализации приоритетного национального проекта по жилищному строительству возможно за счет широкомасштабного применения мелкозернистых бетонов на основе композиционных вяжущих и техногенных песков.

Работа выполнялась в рамках тематического плана госбюджетных НИР Федерального агентства по образованию, проводимых по заданию Министерства образования и науки РФ и финансируемых из средств федерального бюджета на 2004-2008 гг.; НТП Минобрнауки РФ «Методологические основы рационального использования техногенного сырья в промышленности строительных материалов» (шифр 03.01.055) и НТП «Кристаллохимические основы оптимизации процессов структурообразования в строительном материаловедении при использовании техногенного сырья» (шифр 207.03.01.078), раздела 03 «Проблемы рационального использования минеральных ресурсов».

Цель работы. Повышение эффективности производства мелкозернистых бетонов за счет использования композиционных вяжущих и техногенных песков.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- построение классификации, исследование свойств и распространения техногенных песков;

- разработка принципов проектирования и технологий производства многокомпонентных вяжущих веществ и мелкозернистого бетона с учетом особенностей минералогического состава, строения и свойств техногенных песков;

- составление нормативных документов и внедрение результатов исследования.

Научная новизна. Разработаны принципы повышения эффективности композиционных вяжущих и мелкозернистых бетонов за счет рационального использования энергетики геологических и техногенных процессов, участвующих в формировании техногенных песков, заключающиеся в выборе кремнеземистых компонентов с повышенным содержанием газовоздушных включений, компонентов минералообразующей среды, дефектов кристаллической структуры и другие, которые в техногенных условиях в процессе добычи и дезинтеграции сырья, воздействия физических полей при обогащении формируют активную поверхность, определяющую рациональные условия гидратации и создающую оптимальную структуру высококачественного композита, в том числе с использованием нанодисперсных модификаторов. Многообразие размеров и форм частиц дезинтегрированного сырья приводит к разнообразию физико-химических условий синтеза новообразований и повышения эффективности композиционных вяжущих и мелкозернистых бетонов на их основе.

Установлен характер влияния состава и структурно-текстурных характеристик скальных пород различного генезиса на гранулометрию отсева дробления, размолоспособность, физико-механические характеристики, водо- и це-ментопотребность техногенных песков в зависимости от положения в системе классификации. Высококачественный техногенный песок образуется при дроблении средне- и крупнозернистых магматических и метаморфических скальных пород равномернозернистой структуры и массивной текстуры. Существенно снижаются качественные показатели у техногенных песков, полученных из пород мелко- и тонкозернистой структуры, особенно осадочного происхождения и у пород анизотропной текстуры.

Установлен характер зависимости распределения частиц композиционных вяжущих, полученных при помоле цемента с различными типами песков. Вяжущие вещества с использованием природного песка имеют одномодальный почти гауссовский характер распределения частиц. Композиционные вяжущие на техногенных кремнеземистых составляющих имеют прерывистый характер с несколькими пиками. Это определяется различной размолоспособностью минералов. При использовании мономинеральных техногенных песков такой характер распределения частиц обусловлен полигенетическим составом породообразующего минерала. Прерывистый характер гранулометрического состава оказывает положительное влияние на формирование микроструктуры цементного камня и бетона вследствие более плотной пространственной укладки частиц и, следовательно, получения более плотного цементного камня.

Установлены закономерности изменения коллоидно-химических свойств цементных систем на основе композиционных вяжущих с использованием техногенных кремнеземистых компонентов и суперпластификаторов, заключающиеся в снижении прочности контактов в коагуляционных структурах за счет образования мономолекулярного адсорбционного слоя суперпластификатора на поверхности дисперсной фазы и позволяющие получить предельно агрега-тивно устойчивые суспензии с жидкообразным характером течения. Установлена оптимальная концентрация добавок различных суперпластификаторов при получении композиционных вяжущих. При переходе от клинкера к композиционному вяжущему величина максимальной адсорбции снижается. При увеличении содержания клинкерных минералов и при переходе от тонкомолотого цемента к вяжущим низкой водопотребности величина максимальной адсорбции увеличивается.

Установлен характер влияния вида и состава композиционных вяжущих на микроморфологические параметры цементного камня. Размер, форма, ориентация структурных элементов в пространстве, микропористость, удельная поверхность пор, коэффициент анизотропии, фактор формы и морфология новообразований матрицы обусловливают различие эксплуатационных показателей искусственного композита. Так, по сравнению с бетоном на крупном заполнителе при одинаковой прочности, модуль упругости мелкозернистых бетонов на 10-15 % ниже на всем интервале изменения водоцементного отношения (В/Ц). И лишь начиная с В/Ц 0,4 величина отклонения начинает уменьшаться и при значении 0,3 не превышает 5 %. Усадочные деформации на заполнителе с высокоплотной упаковкой по своим значениям приближаются к аналогичным показателям бетона на крупном заполнителе. Призменная прочность и модуль упругости мелкозернистых бетонов на композиционных вяжущих аналогичны этим показателям на портландцементе. Практическое значение. Разработана классификация техногенных песков в зависимости от состава, генезиса исходных пород и вида техногенных воздействий, а также принципы оценки их качества. Анализ строения и вещественного состава техногенных песков, а также закон соответствия генезиса техногенезу при производстве строительных материалов с минимальными энергозатратами позволили определить рациональные области их использования при производстве композиционных вяжущих и мелкозернистых бетонов. Специфика использования техногенных песков по сравнению с природными в качестве кремнеземистых добавок композиционных вяжущих и заполнителей мелкозернистых бетонов заключается в их полиминеральности, полигенетич-ности, специфике морфологии зерен и их поверхности. Положение в системе классификации позволяет прогнозировать запасы месторождений техногенных песков, объемы текущих отходов, технологию производства композиционных вяжущих и рациональные области применения мелкозернистого бетона и изделий на его основе.

На основании результатов теоретических исследований и промышленного внедрения составлены проекты:

• специального технического регламента РФ «О безопасности строительных материалов и изделий»;

• национальных стандартов:

- «Кремнеземсодержащий компонент для производства композиционных вяжущих из техногенных песков»;

- «Мелкий заполнитель бетона из техногенных песков».

Разработаны методики определения:

- качества песков как мелкого заполнителя бетонов;

- качества песков как кремнеземсодержащих компонентов композиционных вяжущих.

Разработана технология производства композиционных вяжущих в том числе с применением нанодисперсного модификатора.

Предложены составы мелкозернистых бетонов с использованием техногенных песков и композиционных вяжущих для строительства автомобильных дорог:

- оснований - с применением укатываемых мелкозернистых бетонов и высокопроникающих смесей для укрепления щебеночных оснований на основе отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов, а также отходов алмазообогащения (ОАО);

- нижнего и верхнего слоя покрытий с использованием в качестве крем-неземсодержащего компонента композиционных вяжущих отходов обогащения железистых кварцитов, в качестве заполнителей - отсевов дробления кварцитопесчапиков.

Разработаны составы мелкозернистых бетонов для производства изделий для промышленного и гражданского строительства:

- малых архитектурных форм с использованием отсевов дробления кварц-содержащих пород зеленосланцевой фации метаморфизма;

- железобетонных изделий для энергетического строительства и мостовых конструкций на основе отходов ММС в качестве компонента вяжущего; отсевов дробления кварцитопесчаников - в качестве мелкого заполнителя;

- мелкоштучных стеновых изделий с использованием отсевов дробления на щебень валунно-песчано-гравийных смесей (ВПГС).

Предложены составы высокопроникающих смесей для закладки выработанного пространства подземных рудников на основе ОАО и отходов ММС железистых кварцитов.

Практические результаты и научная новизна работы защищены 8 патентами РФ.

Внедрение результатов исследований. Результаты проведенных исследований позволили апробировать и внедрить в производство технологии: композиционных вяжущих на основе техногенных песков различных генетических типов; стеновых камней цементных на основе отсева дробления ВПГС; железобетонных элементов ограждений и изделий для энергетического комплекса на основе отсева дробления кварцитопесчаника; пескоцементных смесей и укатываемых высокопрочных бетонов для дорожного строительства с использованием отходов ММС железистых кварцитов; закладочных смесей на основе отходов алмазообогащения.

Для широкомасштабного внедрения результатов работы при строительстве автомобильных дорог и производстве строительных материалов разработаны нормативные документы:

- технические условия на «Кремнеземсодержащий компонент из отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов Лебединского горнообогатительного комбината». ТУ 57.43-008-02066339-2002;

- технические условия на «Отходы алмазообогащения месторождения им. М.В. Ломоносова Архангельской алмазоносной провинции как компонент вяжущего низкой водопотребности». ТУ 5743-017-02066339-2004;

- технические условия на «Кремнеземсодержащий компонент из отсева дробления кварцитопесчаника Лебединского горно-обогатительного комбината». ТУ 5743-009-02066339-2005;

- технические условия на «Мелкий заполнитель бетона из отсева дробления кварцитопесчаника Лебединского горно-обогатительного комбината». ТУ 571 1-001-02066339-2006;

- технические условия на «Заполнитель мелкий для бетона из отсева дробления Солдато-Александровского карьера». ТУ 5711-005-10251714-2006;

- технические условия на «Стеновые камни цементные на основе мелкозернистого бетона с использованием отсева дробления Солдато-Александровского карьера». ТУ 5741-004-10251714-2006.

Апробация полученных результатов осуществлена на предприятии ООО «Строй комплекс», ООО «Стройбетон» (Белгородская область), ООО «Югорскремстройгаз» (Тюменская область), ПСФ «Содружество-холдинг» (Ставропольский край). Результаты работы использовались при реализации программы «Развитие дорожной сети в сельских населенных пунктах Белгородской области и их благоустройство». При этом получен значительный экологический, социальный и экономический эффект.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и практического внедрения в промышленных условиях реализованы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы», 270102 «Промышленное и гражданское строительство», 270105 «Городское строительство и хозяйство»; использованы в учебном пособии с грифом УМО «Строительное материаловедение. Бетоноведение», (2002); отражены в 7 монографиях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на 18 Международных и.Всероссийских конференциях и симпозиумах, академических чтениях РАН и РААСН, в том числе: IX Международной конференции работников нерудной промышленности (Москва, 2000); VI Международном симпозиуме «Вопросы осушения и экология специальные горные работы и геомеханика» (Белгород, 2001); International congress «Challenges of concrete construction» (Scotland, 2002); Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии, конструкции и материалы в строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог» (Краснодар, 2002); I и II Международной научной конференции «Фундаментальные проблемы комплексного использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных материалов» (Апатиты, 2003, Петрозаводск, 2005); Международной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура» (Омск, 2003); Восьмые академические чтения отделения строительных наук РААСН «Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения» (Самара, 2004); Международной конференции «Стратегия развития минерально-сырьевого комплекса в XXI веке» (Москва, 2004); Академических чтений РААСН «Новые научные направления строительного материаловедения» (Белгород, 2005); II Международной конференции по бетону и железобетону (Москва, 2005); Международной научно-практической конференции «Наука и технология строительных материалов: состояние и перспективы развития» (Минск, 2005); Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2006).

Под руководством автора защищено пять диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук.

На защиту выносятся. Классификация техногенных песков в зависимости от состава, генезиса исходных пород и вида техногенных воздействий, а также принципы оценки их качества.

Характер закономерности изменений размолоспособности, гранулометрии, физико-механических характеристик, водо- и цементопотребности техногенных песков в зависимости от положения в системе классификации.

Характер зависимости распределения частиц композиционных вяжущих, полученных при помоле цемента с различными типами техногенных песков.

Закономерности изменения коллоидно-химических свойств цементных систем на основе композиционных вяжущих с использованием техногенных кремнеземистых компонентов и суперпластификаторов.

Принципы повышения эффективности мелкозернистых бетонов и композиционных вяжущих за счет рационального использования энергетики геологических и техногенных процессов, оптимизации состава композиционного вяжущего, гранулометрии заполнителя, минеральных и органических добавок.

Характер влияния вида и состава композиционных вяжущих на микроморфологические параметры цементного камня.

Методики определения качества песков как мелкого заполнителя бетонов и кремнеземсодержащего компонента композиционных вяжущих.

Технологии производства композиционных вяжущих, эффективных дорожно-строительных материалов и изделий из мелкозернистых бетонов для промышленного и гражданского строительства.

Результаты производственных испытаний и внедрения.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 134 работах, в том числе в 24 статьях в научных журналах по списку ВАК России; отражены в 7 монографиях, учебном пособии под грифом УМО, защищены 12 патентами РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из семи глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 463 страницах машинописного текста, включающих 373 рисунков и фотографий, 149 таблиц, список литературы из 383 наименований, приложений.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Заключение диссертации по теме «Строительные материалы и изделия», Лесовик, Руслан Валерьевич

8.9. Выводы

1. Внедрение результатов диссертационной работы было осуществлено при составлении национального стандарта по техногенным пескам.

2. Для внедрения результатов научно-исследовательской работы при строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог, производстве малых архитектурных форм, при строительстве объектов энергетического комплекса, производстве стеновых камней цемедтых из мелкозернистых бетонов на основе техногенных песков, разработаны следующие нормативные документы:

- технические условия на «Кремнеземсодержащий компонент из отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов Лебединского горнообогатительного комбината». ТУ 5743-008-02066339-2002;

- технические условия на «Кремнеземсодержащий компонент из отсева дробления кварцитопесчаника Лебединского горно-обогатительного комбината». ТУ 5743-009-02066339-2005;

- технические условия на «Мелкий заполнитель бетона из отсева дробления кварцитопесчаника Лебединского горно-обогатительного комбината» ТУ 5711-002-02066339-2006;

- технологический регламент на «Изготовление вяжущих низкой водопотребности с использованием отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов Лебединского горно-обогатительного комбината в качестве кремне-земсодержащего компонента»;

- рекомендации по производству и применению литых асфальтобетонных смесей на основе сырья КМА;

- рекомендации по использованию отсева дробления кварцитопесчаника КМА для производства малых архитектурных форм;

- технологический регламент «На изготовление железобетонных элементов ограждений на основе мелкозернистого бетона из техногенных песков КМА»;

- рекомендации по использованию обогащенного отсева дробления кварцитопесчаника КМА для производства железобетонных изделий для энергетического комплекса;

- технологический регламент на "Производство лотков теплотрасс из мелкозернистого, бетона на основе техногенного песка КМА";

- технические условия на «Стеновые камни цементные на основе мелкозернистого бетона с использованием отсева дробления Солдато-Александровского карьера» ТУ 5741-004-10251714-06;

- технологический регламент на «Изготовление камней стеновых бетонных методом полусухого вибропрессования».

3. Предложены технологии производства ВНВ и ТМЦ с использованием техногенных песков различных генетических типов, а также мелкозернистых бетонов на их основе для дорожного строительства и производства широкого спектра изделий для промышленного и гражданского строительства.

4. Разработанные составы пескоцементных смесей с использованием отходов ММС железистых кварцитов и технология устройства укрепленного щебеночного основания с использованием анизотропных пород уменьшают количество технологических операций, выполняемых на дороге, на 150 проходов, сокращается укатка щебня, не требуется дополнительного приобретения дорожно-строительной техники. При этом увеличивается модуль упругости основания с 450 МПа до 1200-1500 МПа, снижается материалоемкость конструкций, повышаются транспортно-эксплуатационные характеристики автомобильных дорог в целом.

5. Разработана технология укрепления щебеночных оснований автомобильных дорог I—IV категории с использованием высокопроникающих смесей, которые позволяют уменьшить число технологических операций, выполняемых непосредственно на дороге, существенно повысить модуль упругости основания, снизить суммарную толщину конструкций дорожных одежд, а следовательно, их материалоемкость, себестоимость и сроки строительства. При этом на 1 км дорожного основания используется около 2200 м3 отходов ММС.

6. Экономический эффект от внедрения результатов работы при устройстве оснований автомобильных дорог за счет замены природного песка на техногенный, применения мелкозернистого бетона, уменьшения материалоемкости дорожных конструкций, улучшения транспортно-эксплуатационных характеристик и долговечности транспортной сети, а также снижения экологического прессинга при реализации программы «Развитие дорожной сети в сельских населенных пунктах Белгородской области и их благоустройство» составил около 37 млн руб.

7. Показано, что при строительстве цементобетонных покрытий автомобильных дорог применение бетонов из жестких смесей, уплотненных методом укатки, по сравнению с равнопрочным обычным бетоном, позволить снизить расход цемента на 10-30 %, трудозатраты более чем в 1,5-2 раза и использовать общестроительную технику. Экономическая эффективность от применения для покрытий дорог II категории отсева дробления кварцитопесчаника, высокоплотных составов заполнителя в бетоне и использования отходов ММС в качестве кремнеземистого компонента в ВНВ составляет до 15 %, что соответствует около 441 тыс. руб/км строящейся дороги. Экономическая эффективность от применения для двухслойных покрытий дорог Ш категории разработанных составов составляет 27 %, что соответствует около 570,704 тыс. руб/км строящейся дороги.

8. Результаты исследований внедрены при производстве малых архитектурных форм с использованием вяжущих низкой водопотребности на основе техногенного песка на предприятиях Белгорода. Опытно-промышленная партия элементов ограждения территорий из мелкозернистого бетона в соответствии с планом освоения новых видов продукции, поиском экономически целесообразных строительных материалов и оптимизации производственного процесса была использована при возведении ограждений земельных участков, в частности, при обустройстве участков в пос. Ново-Садовый Белгородской области, что подтверждено справкой о внедрении.

9. Экономический эффект от внедрения результатов работы за счет замены дефицитных природных песков техногенными региона КМА, применения мелкозернистых бетонов для производства малых архитектурных форм составил 6 млн руб. Производство современных, экономичных, эстетически привлекательных элементов ограждения территорий из мелкозернистого бетона на основе техногенных песков позволит повысить качество реализации программы по возведению индивидуального жилья, проводимой на основании постановления губернатора Белгородской области «О стратегии развития жилищного строительства на территории Белгородской области до 2010 года», которая предусматривает возведение ограждений земельных участков общей протяженностью, по предварительным подсчетам 5500 км, в том числе 2000 км ограждений фасадных сторон участков.

10. Мелкозернистый бетон для производства лотков теплотрасс с использованием ВНВ и обогащенного отсева дробления кварцитопесчаника Лебединского ГОКа внедрен при производстве изделий для энергетического комплекса в г. Ше-бекино Белгородской области на предприятии ООО «Стройбетон». Экономический эффект при широкомасштабном использовании данной технологии составит 15,655 млн руб.

11. Мелкозернистый бетон для производства переходных и укрепительных плит и свай с использованием композиционного вяжущего и отсева дробления кварцитопесчаника внедрен на производственной площадке ООО «Мостострой-инвест» в г. Белгороде при производстве изделий для мостовых конструкций. Экономический эффект при широкомасштабном использовании данной технологии составит 26,97 млн руб.

12. Предложена технология производства стеновых камней цементных с использованием обогащенных техногенных песков. Апробация полученных результатов в промышленных условиях осуществлена на ПСФ «Содружество-холдинг» при выпуске стеновых камней цементных были использованы при строительстве ряда гражданских объектов Ставропольского края. Экономический эффект от применения разработанных стеновых камней цементных взамен традиционно используемых стеновых материалов заключается в сокращении расходов на транспортировку материалов, увеличении темпов строительства, снижении расхода кладочного раствора и составляет более 6 млн руб. в год.

13. Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы, а также практического внедрения в промышленных условиях, были реализованы в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы», 270102 «Промышленное и гражданское строительство», 270105 «Городское строительство и хозяйство». При этом защищено 12 дипломных проектов студентов, 5 диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук.

1. Разработана классификация техногенных песков в зависимости от состава, генезиса исходных пород и вида техногенных воздействий, а также принципы оценки их качества. Анализ строения и вещественного состава техногенных песков, а также закон соответствия генезиса техногенезу при производстве строительных материалов с минимальными энергозатратами позволили определить рациональные области их использования при производстве композиционных вяжущих и мелкозернистых бетонов. Специфика использования техногенных песков по сравнению с природными в качестве кремнеземистых добавок композиционных вяжущих и заполнителей мелкозернистых бетонов заключается в их полиминеральности, полигенетичности, специфике морфологии зерен и их поверхности. Положение в системе классификации позволяет прогнозировать запасы месторождений техногенных песков, объемы текущих отходов, технологию производства композиционных вяжущих и рациональные области применения мелкозернистого бетона и изделий на его основе.

2. Составлена схема распространения месторождений техногенных песков РФ и отходов текущей добычи. Техногенная сырьевая база промышленности строительных материалов существенно отличается от традиционной как методами разведки полезных ископаемых, так и особенностями технологий производства продукции. Показано, что специфика добычи и складирования отходов приводит к формированию месторождений техногенных песков, аналогов которых по минеральному составу в природе, как правило, не существует. Это определяет их специфику как сырья для получения строительных материалов и необходимость индивидуального подхода при разработке составов композиционных вяжущих и мелкозернистых бетонов с оптимальной структурой. Объемы отходов текущей добычи, в настоящее время, как правило, значительно превышают потребности традиционных предприятий стройиндустрии. Поэтому предлагается рассмотреть вопрос о строительстве крупных заводов в местах сосредоточения промышленного и гражданского строительства по производству строительных смесей для выпуска эффективных строительных материалов.

3. Установлен характер зависимости распределения частиц композиционных вяжущих, полученных при помоле цемента с различными типами песков. Вяжущие вещества с использованием природного песка имеют одномодальный почти гауссовский характер распределения частиц. Композиционные вяжущие на техногенных кремнеземистых составляющих имеют непрерывистый полимодальный характер с несколькими пиками. Это определяется различной размолоспособно-стью породообразующих минералов. При использовании полиминеральных техногенных песков такой характер распределения частиц обусловлен полигенетическим составом породообразующего минерала. Полимодальный характер распределения частиц композиционных вяжущих и специфика кремнезема из рекомендуемых техногенных песков оказывает положительное влияние на формирование микроструктуры цементного камня и бетона вследствие более плотной пространственной укладки новообразований и, следовательно, получения более плотного цементного камня.

4. Установлен характер влияния.кремнеземсодержащих компонентов композиционных вяжущих из рекомендуемых к использованию техногенных песков на процессы структурообразования матрицы. Специфика поверхности кремнеземсо-держащего компонента, наличие разупорядоченного кварца с различной морфологией и размером частиц и другое приводит к снижению энергии зародышеобра-зования, последовательному росту новообразований во времени и уменьшению кристаллизационного давления. Это приводит к синтезу гетерозернистой микроструктуры, снижению количества микротрещин, повышению эксплуатационных показателей.

5. Предложены способы активации процессов твердых композитных вяжущих методом термической подготовки техногенных песков и магнитной обработки бетонных смесей. При термическом воздействии возрастает дефективность кристаллической решетки породообразующих минералов, увеличивается площадь поверхности с некомпенсированными зарядами. При этом снижается энергоемкость помола и на 30-35% повышается прочность вяжущего.

Магнитная обработка бетонных смесей способствует стрикционному эффекту ферромагнитных оксидов железа, входящих в состав отходов ММС железистых кварцитов, что приводит к дроблению зародышей. При этом увеличивается количества центров кристаллизации, растет количество новообразований, уменьшается их размер, изменяется морфология, что приводит к росту предела прочности при сжатии на 35% и снижению анизотропии композитов.

6. С помощью полнопрофильной методики определения концентраций минеральных составляющих кварца и их областей когерентного рассеивания доказан различный размер и количество кристаллитов у кварца различного генезиса.

Показано, что нанодисперсные модификаторы, разработанные лично автором, имеют полифракционный состав, при этом добавка на основе кварцитопесчаника содержит наибольшее количество наночастиц. Данный факт подтверждается результатами рентгенографического анализа и содержание коллоидного компонента определяется методом центрифугирования. <

Нанодисперсные составляющие • способствуют более раннему связыванию Са(ОН)2, интенсифицируют процесс гидратации клинкерных минералов. При этом изменяется состав, свойства и характер новообразований, о чем свидетельствуют данные РФА, DTA и РЭМ. В цементном камне с нанодисперсным модификатором уменьшается количество портландита и алита, увеличивается количество мелких кристаллогидратов.

7. На основании результатов теоретических исследований и промышленных испытаний составлены проекты национальных стандартов на техногенные пески, как новую сырьевую базу промышленности строительных материалов. Предложены методики определения качества песков как мелкого заполнителя бетонов и как компонентов композиционных вяжущих. Согласно рассчитанному коэффициенту качества изученные типы природных и техногенных песков проранжиро-ваны по повышению качества как мелкого заполнителя в следующей последовательности: отходы алмазообогащения Архангельской алмазоносной провинции, отходы мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов, песок Нижне-Ольшанского месторождения, песок Вольского месторождения, отсев дробления кварцитопесчаника, отсев дробления валунно-песчано-гравийных смесей Северного Кавказа, отсев дробления гранита, отсев дробления кварцитопесчаника обогащенный (фракции 0,315—5 мм); как компонентов композиционных вяжущих: отходы алмазообогащения Архангельской алмазоносной провинции, отсев дробления валунно-песчано-гравийных смесей Северного Кавказа, песок Нижне-Ольшанского месторождения, отсев дробления кварцитопесчаника, песок Вольского месторождения, Песок Стодеревского месторождения, отходы мокрой магнитной сепарации, отсев дробления кварцитопесчаника обогащенный (фракции 0,315-5 мм).

8. Предложены составы мелкозернистого бетона с использованием отходов мокрой магнитной сепарации и отсева дробления кварцитопесчаника для строительства покрытий и оснований автомобильных дорог II—IV категории по технологии скользящей опалубки и укатки, позволяющей уменьшить число технологических операций, выполняемых непосредственно на дороге, снизить суммарную толщину конструкций дорожных одежд, следовательно, их материалоемкость, себестоимость и сроки строительства. Разработана технология получения и состав смесей с высокой проникающей способностью для строительства укрепленных оснований автомобильных дорог. Она заключается в получении композиционных вяжущих с использованием отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов и супер пластификатора СБ-3.

9. Разработаны оптимальные составы мелкозернистых бетонов на основе композиционных вяжущих и техногенных песков для производства изделий промышленного и гражданского строительства. В производство внедрены технологии: композиционных вяжущих на основе техногенных песков различных генетических типов; стеновых камней цементных на основе отсева дробления Солдато-Александровского карьера; железобетонных элементов ограждений и изделий для энергетического комплекса на основе отсева дробления кварцитопесчаника; пескоцементных смесей и укатываемых высокопрочных бетонов для дорожного строительства с использованием отходов мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов; закладочных смесей на основе отходов алмазообо-гащения Архангельской алмазоносной провинции. Научная новизна работы защищена 12 патентами РФ.

10. Разработаны нормативные документы для широкомасштабного внедрения результатов работы при производстве строительных материалов и строительстве автомобильных дорог: проект специального технического регламента РФ «О безопасности строительных материалов и изделий» согласованный и переданный в министерство регионального развития для рассмотрения и принятия в качестве Федерального закона; два проекта национальных стандартов, шесть технических условий и пять технологических регламентов прилагаются в диссертации. Внедрение полученных результатов осуществлено на предприятиях ООО «Стройкомплекс» и ООО «Стройбетон» (Белгородская область) ООО «Югорскремстройгаз» (Тюменская область), ПСФ «Содружество-холдинг» (Ставропольский край). Результаты работы использовались при реализации программы «Развитие дорожной сети в сельских населенных пунктах Белгородской области и их благоустройство». Планируется использовать Министерством регионального развития при строительстве олимпийских объектов в г. Сочи. Экономический эффект за счет реализации диссертационной работы составил сотни миллионов рублей. При этом было выпущено свыше 20 тыс.т композиционных вяжущих, около 100 тыс. шт. мелкоштучных изделий, свыше 2 тыс. м3 бетона и железобетонных изделий, с использованием мелкозернистого бетона и техногенных песков построено, реконструировано и отремонтировано около 97 км автомобильных дорог.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Лесовик, Руслан Валерьевич, 2009 год

1. Технология и свойства мелкозернистых бетонов: учебное пособие / Ю.М. Баженов, Л.А. Алимов, В.В. Воронин, Р.Б. Ергешев — Алматы: КазГосИНТИ, 2000.- 195 с.

2. Рыбьев, И. А. Строительное материаловедение /И.А. Рыбьев.— М.: Высшая школа, 2002 701 с.

3. Steven H.Kozmatka; Beatrix Kerkhoff; William С Panarese / Design and control of concrete mixtures // Skokie,III.: Portland Cement Association — 2002.

4. Гаркави, M.C. Использование песков из отсевов дробления при изготовлении мелкоштучных элементов мощения // Строительные материалы 2003. -№6. - С.3'8.

5. Технология бетона, строительных изделий и конструкций: учебник /Ю.М. Баженов, Л.А. Алимов, В.В. Воронин, У.Х. Магдеев. М.: Изд-во АСВ, 2004.-236 с.

6. Баженов, Ю.М. Технология бетона /Ю.М. Баженов.— М., 2003 — 500 с.

7. Баженов, Ю.М. Модифицированные высокопрочные бетоны. Баженов,Ю.М., Демьянова, B.C., Калашников, В.И.-М.: АСВ, 2007 368 с.

8. Flyash replaces sand in a specialty concrete // Chemical engineering 105 — 1998.-№6,-p. 28.

9. Petkova V.J./An Accelerated Method for Evaluating the Frost Resistance of Fine Grained Slag Concrete with Combined of Industrial By-products // N.Ribalsky, V. Nenov Editors.XII Intem.Symp // Ecology 2003 Sunny Beach.2003— p. 191-198

10. Petkova V.J, R. Krastev ON SOME MECHANICAL PROPERTIES OF FINE- GRAINED SLAG CONCRETE WITH SECONDURY INDUSTRIAL RAW MATERIALS // 10-th international conference on MTCM. -2003. p. 195-200.

11. Боженов, П.И. Комплексное использование минерального сырья и экология. -М.: Изд-во АСВ, 1994. 264 с.

12. Лесовик, B.C. Снижение энергоемкости производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород: дис. . д-ра техн. наук. Лесовик, B.C.-Белгород, 1997.-461 с.

13. Neuerungen bei Fahrbahndecken aus Beton. Teil I. Grundlagen und Fortschritten / Fleischer W., Grossmfnn D., Moschwitzer H.// Beton. - 2000. -№ 7. - S. 376-380.

14. Исследование влияния минеральных и органических добавок на свойства цементов и бетонов Иващенко, С.И., Комар, А.Г., и др. //Изв. вузов.1617,18,19,20.