Повышение эксплуатационных свойств облицовочных изделий из карбонатных пород обработкой сульфатами металлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат технических наук Евсеев, Егор Николаевич

• Евсеев, Егор Николаевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Евсеев, Егор Николаевич

Введение

Глава 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования

1.1. Карбонатосодержащие горные породы, их характеристики и распространение

1.2. Строительные материалы и изделия из карбонатосодержащих 16 горных пород, применяемые в РФ

1.3. Декоративные качества мрамора и известняка как основного 22 облицовочного материала

1.4. Средства и способы повышения эксплуатационных и 31 декоративных свойств облицовочных изделий из карбонатных пород

1.5. Цель и задачи исследования. Рабочая гипотеза.

Глава 2. Исходные материалы и методы исследования

2.1. Характеристики использованных в работе материалов

2.2. Метод ИК-фурье-спектроскопии

2.3. Метод рентгеновской дифракционной спектроскопии

2.4. Оценка декоративности

2.5. Определение твёрдости

2.6. Испытание на водопоглощение

2.7. Оценка химической стойкости

2.8. Оценка прочностных характеристик

2.9. Методика искусственного старения

Глава 3. Технология обработки камня

3.1. Способы нанесения составов на изделия из камня

3.2. Влияние различных факторов на технологию обработки камня

3.3. Периодичность обработки

3.4. Выводы по третьей главе

Глава 4. Исследование влияния процесса обработки на карбонатосодержащие горные породы

4.1. Влияние процесса обработки на породообразующий минерал

4.2. Выводы по четвёртой главе

Глава 5. Декоративные и эксплуатационные свойства обработанных карбонатосодержащих горных пород

5.1. Декоративность обработанных пород

5.2. Исследование твёрдости

5.3. Определение водопоглощения

5.4. Исследование кислотостойкости

5.5. Измерение прочностных характеристик

5.6. Исследование процесса старения

5.7. Выводы по пятой главе

Глава 6. Экономическая эффективность обработки камня

6.1. Анализ экономической эффективности

6.2. Выводы по шестой главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эксплуатационных свойств облицовочных изделий из карбонатных пород обработкой сульфатами металлов»

Актуальность.

Современное строительство и реставрация зданий требует применения большого количества облицовочных материалов, обладающих архитектурно-художественной выразительностью.

Наибольшее распространение в качестве облицовочных материалов получили карбонатные горные породы (известняки и мраморы). Однако основным их недостатком является недостаточная стойкость к агрессивному воздействию окружающей среды. Обработка карбонатных пород органическими материалами достаточно дорогостояща и ухудшает художественную выразительность.

Повышение эксплуатационных и декоративных свойств облицовочных изделий из карбонатных пород может быть достигнуто поверхностной обработкой изделий растворами сульфатов некоторых металлов с получением покрытия из стойкого материала с высокой декоративной выразительностью.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР МГСУ на 2004-2006 гг.

Цель и задачи.

Основной целью данной работы является улучшение декоративности и физико-механических свойств облицовочных изделий из карбонатных горных пород. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

• обосновать возможность использования растворов сульфатов некоторых металлов для обработки изделий из карбонатных горных пород;

• выявить сульфаты, влияющие на декоративные свойства карбонатных горных пород;

• исследовать механизм взаимодействия между породой и растворами сульфатов некоторых металлов;

• исследовать эксплуатационные свойства обработанных горных пород;

• разработать рекомендации по технологии обработки горных пород карбонатного состава растворами сульфатов некоторых металлов с позиций физико-механических свойств;

• осуществить опытно-промышленное опробование.

Научная новизна.

• обоснована возможность повышения декоративных и эксплуатационных свойств изделий из карбонатных пород путём их поверхностной обработки сульфатами меди и железа (II) с образованием нерастворимых гидроксикарбонатов, которые заполняют поры и микродефекты, а также улучшают художественную выразительность;

• методом ИК-фурье-спектроскопии доказано химическое взаимодействие растворов сульфатов некоторых металлов с породообразующим минералом, что объясняет увеличение показателей поверхностной твёрдости, водопоглощения и кислотостойкости по сравнению с необработанными изделиями;

• установлены зависимости микротвёрдости, водопоглощения, кислотостойкости, прочности, морозостойкости облицовочных изделий из карбонатных пород от времени обработки сульфатами меди и железа (II), а также от способа обработки, влажности и температуры окружающего воздуха;

• методом рентгено-дифракционного анализа установлена высокая однородность слоя нерастворимых соединений на поверхности облицовочных изделий, образующихся в ходе обработки сульфатами меди и железа (II);

• обосновано улучшение декоративности путём изменения окраски поверхности облицовочных изделий из карбонатных пород в ходе обработки сульфатами меди и железа (II) из-за наличия в растворах этих сульфатов окрашенных гидратированных ионов, участвующих во взаимодействии с породообразующим минералом.

Практическая значимость.

• Получены декоративные карбонатные изделия, модифицированные растворами сульфатов меди и железа (II): известняк уникальных расцветок (класс II) с водопоглощением 3%, кислотостойкостью 1%, микротвёрдостью 13 кгс/см, морозостойкостью 25 циклов; мрамор уникальных расцветок (класс I) с водопоглощением 0,24%, кислотостойкостью 0,2%, микротвёрдостью 27 кгс/см2, морозостойкостью 35 циклов; разработана технология обработки камня растворами сульфатов меди и железа (II), включающая процессы нанесения, процессы сушки с учётом различных параметров влажности и температуры окружающего воздуха, процессы приготовления растворов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на научно-практических конференциях: семинаре "Эффективные строительные материалы и технологии, используемые при реализации программы "Доступное жильё" (в рамках седьмой специализированной выставки "Отечественные строительные материалы 2006". Москва, СК «Олимпийский», февраль 2006 г.), семинаре «Инновационные технологии в строительстве» (в рамках 14 Международной Строительной недели. Москва, КВЦ «Сокольники», март 2006 г.), научно-практической конференции, посвещённой памяти профессора Андрианова Р.А. (Москва, МГСУ, апрель 2006 г.), 4-ой международной научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», посвященной 85-летнему юбилею МГСУ-МИСИ (Москва, МГСУ, апрель 2006 г.), межрегиональной конференции «Энергосбережение в ЖКХ и строительстве» (Москва, Гостиный Двор, апрель 2006 г.), научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, ВВЦ, июнь 2006 г.).

На защиту выносится:

• теоретическое обоснование возможности использования растворов сульфатов некоторых металлов для обработки изделий из карбонатных горных пород;

• механизм взаимодействия между породой и растворами сульфатов некоторых металлов;

• технология обработки горных пород карбонатного состава растворами сульфатов меди и железа (II) и её оптимизация с позиций физико-механических свойств.

• эксплуатационные свойства обработанных горных пород;

Заключение диссертации по теме «Строительные материалы и изделия», Евсеев, Егор Николаевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснована возможность повышения декоративных и эксплуатационных свойств изделий из карбонатных пород путём их поверхностной обработки сульфатами меди и железа (II) с образованием нерастворимых гидроксикарбонатов, которые заполняют поры и микродефекты, способствуя снижению пористости и повышению других физико-механических свойств п^гла^спчлпярмпг'г» мятрглыо гта а тсигмгр vm/uiuai/vr TTPvnnciTTJiiurwTi

V W^/ МЧ/ М A. 1/X1/MV1U Ж шн A. V^/ 11М< М Л. M1W11 V J * Л,J • ■ * * * -*- * ' * A. ^Vlt v* A 111/11V V A

2. Установлено, что на декоративность карбонатных горных пород влияют сульфаты меди и железа (II), изменяя цвет поверхности камня с рядового до редко встречающегося в природе.

3. Разработана и оптимизирована по водопоглощению и микротвёрдости технология нанесения растворов сульфатов меди и железа (II) в зависимости от влажности и температуры окружающего воздуха.

4. Установлено, что обработка пропиткой более продолжительна, чем обработка кистью и распылением, но позволяет получить наилучшие среди указанных видов обработки показатели.

5. Установлено, что декоративный и защитный эффекты обработки камня растворами сульфатов меди и железа (II) сохраняются в течение не менее четырёх лет.

6. Доказано, что взаимодействие между породообразующим минералом и растворами сульфатов некоторых металлов носит химический характер и происходит на уровне обмена ионами.

7. Установлено, что обработка изделий из известняка растворами сульфатов меди и железа (II) имеет защитный эффект. В частности, водопоглощение мячковского известняка после обработки снижается с 7% до 3%, кислотостойкость увеличивается с 5,8 до 1%, показатели микротвёрдости л возрастают с 6 до 13 кгс/см , морозостойкость достигает 25 циклов (при 15 циклах для необработанного известняка).

8. Установлено, что обработка изделий из мрамора растворами сульфатов меди и железа (II) имеет защитный эффект. В частности, водопоглощение мрамора «Коелга» после обработки снижается с 0,6% до 0,23%, кислотостойкость увеличивается с 1,8% до 0,2%, показатели микротвёрдости возрастают с 23,5 до 26,8 кгс/см , морозостойкость достигает 35 циклов (при 25 циклах для необработанного мрамора).

9. Доказано, что после проведения испытаний на морозостойкость марка мрамора и известняка, обработанных растворами сульфатов меди и железа (II) существенно повышается, что расширяет область их применения. Кроме того, не происходит отслоения с поверхности камня.

10. Экономический эффект от применения растворов сульфатов меди и железа (II) существенно повышается, по сравнению с зарубежными кремнийорганическими составами, вследствие невысокой цены исходных компонентов растворов и составляет 0,15 у.е. за 1 м2 поверхности камня.

126

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Евсеев, Егор Николаевич, 2006 год

1. ГОСТ 9479-98 Блоки из горных пород для производства облицовочных, архитектурно-строительных, мемориальных и других изделий. Технические условия.

2. ГОСТ 30629-99 Материалы и изделия облицовочные из горных пород. Методы испытаний.1. Л ЛППЛ гтл ттт . т г

3. J. 1 Ov^ i ыоу-u и1срилиьсиис1ь ииьерлписш. параметры и характеристики.

4. ГОСТ 4204-77 Кислота серная. Технические условия.

5. ГОСТ 19347-99 Купорос медный. Технические условия.

6. ГОСТ 4174-77 Цинк сернокислый 7-водный. Технические условия.

7. ГОСТ 435-67 Марганец сернокислый 5-водный. Технические условия.

8. ГОСТ 9485-74 Железо (III) сернокислое 9-водное. Технические условия.

9. ГОСТ 4148-78 Железо (II) сернокислое 7-водное. Технические условия.

10. ГОСТ 4472-78 Хром сернокислый 6-водный. Технические условия. П.Агафошин Н. П. Периодический закон и периодическая система элементов

11. Д. И. Менделеева. М.: Просвещение, 1973.

12. Ария С. М., Семенов И. Н. Краткое пособие по химии переходных элементов. Д.: Изд-во ЛГУ, 1972.

13. Архитектурные премии за использование мрамора //Камень и бизнес. 2002. -№ 1.

14. Н.Астахов К. В. Современное состояние периодической системы Д. И. Менделеева. М.: Знание, 1969.

15. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа, 1981.

16. Баличева Т.Т., Лобанова О.А. Электронная и колебательная спектроскопия неорганических и координационных соединений. Л.: ЛГУ, 1983.

17. Беллами Л. ИК-спектры сложных молекул. Л., 1963.

18. Беллами Л. Новые данные по ИК-спектрам сложных молекул. М.: Мир, 1971.

19. Барнард А. Теоретические основы неорганической химии. М.: Мир, 1968.

20. Введение в общую химию / Карапетьянц М. X., Лучияский Г. П., Мастрюков B.C., Хомутов М. Е. Под ред. Лучинского Г. П. М.: Высшая школа, 1980.

21. Вечорек-Цюра К. Физико-химия процессов сульфатообразования с известняками: автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра хим. наук. Иваново, 1995.

22. Викторов A.M. Атмосфера, неблагоприятная для львов //Химия и жизнь. -1986.-№ 10.

23. Вилков Л.В., Пентин Ю.А., Физические методы исследования в химии. М.: Высшая школа, Ч. 1, 1987 г. и Ч. II, 1989 г.

24. Гилсон Т., Хендра П. Лазерная спектроскопия КР в химии. М.: Мир, 1973.

25. Гиллеспи Р. Геометрия молекул. М.: Мир, 1975, 278 с. Грей Г. Электроны и химическая связь. М.: Мир, 1967.

26. Глебов М.П. Свойства природных каменных материалов и основные области их применения в строительстве: Учеб. пособие. Братск, 1996.

27. Глинка Н.Л. Общая химия: учебное пособие для вузов 27-е издание стереотипное/ Под ред. В.А. Рабиновича. - Л.: Химия, 1988.

28. Граселли Дж., Скейвили М., Балкин Б. Применение спектроскопии КР в химии. М.: Мир, 1984.

29. Гринберг А. А. Введение в химию комплексных соединений. 4-е изд. - Л.: Химия, 1971.

30. ГришинаИ.Н. Горные породы: учеб. пособие. Н.Новгород, 1998.

31. ЗГГорбылёв В. Н. Возрождение саянского мрамора. //Камень и бизнес. 2003.-№2.

32. Дей К., Селбин Д. Теоретическая неорганическая химия. 3-е изд. - М.: Химия, 1976.

33. Дикерсон Р., Грей Г., Хейт Док. Основные законы химии. М.: Мир, 1982.

34. Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия, УРСС. М., 2001.

35. Желиговская Н. Н., Черняев И. И. Химия комплексных соединений. М.: Высшая школа, 1966.

36. Зб.Зайцев О. С. Общая химия. М.: Высшая школа, 1983.

37. Зайцев О. С. Химическая термодинамика к курсу общей химии. М.: Изд-во МГУ, 1973.

38. Казарян Ж. А. Природный камень: добыча, обработка, применение: Справочник. М.: ГК Гранит; Петракомплект, 1998.

39. Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение ИК, УФ и ЯМР спектроскопии в органической химии. М.: МГУ, 1979.

40. Карапетьянц М. X. Введение в теорию химических процессов. 3-е изд. -М.: Высшая школа, 1978.

41. Карапетьянц М. X., Дракин С. И. Строение вещества. 3-е изд. - М.: Высшая школа, 1978.

42. Карапетьянц М. X., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа, 1981.

43. Кемпбел Дж. Почему происходят химические реакции. М.: Мир, 1967.

44. Кемпбел Дж. Современная общая химия. М.: Мир, 1975.

45. Константинова С. Н. Оживающий? Отживающий? Вечный? //Химия и жизнь. 1982.-№8.

46. Корнилков М.В. Строительные материалы и методы их испытаний: Учеб. пособие. Екатеринбург, 1995.

47. Корольков Д. В. Основы неорганической химии. М.: Просвещение, 1982.

48. Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. М.: Мир, 1969. Ч. 1—3.

49. Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Основы неорганической химии. М.: Мир, 1979.

50. Красовицкая Т. И. Электронные структуры атомов и химическая связь. 2-е изд. -М.: Просвещение, 1980.

51. Крестов Г. А. Теоретические основы неорганической химии. М.: Высшая школа, 1982.

52. Левин А.Г. и др. Технология облицовочных работ природным камнем. /Союз «Метроспецстрой». М.: Атолл, 2001.

53. Макеичева М.А. Формирование состава и свойств карбонатных пород в процессе выветривания. М.: Недра, 1991.

54. Микульский В.Г., Горчаков Г.И., Козлов В.В. и др. Строительные материалы: учебник для студентов строит, спец. втузов / Под общ. ред. В.Г. Микульского. М.: Изд-во Ассоц. строит, вузов, 1996.

55. Микульский В.Г., Куприянов В.Н., Сахаров Г.П. и др. Строительные материалы: учеб. для студентов вузов по строит, специальностям. / Под общ. ред. В.Г. Микульского. М.: Изд-во Ассоциации строит, вузов, 2000.

56. Моторный Н.И. Пятна на мраморе: «ржавая» коелга безнадежно или устраняемо? // Империя камня. - 2001. - № 2.

57. Моторный Н.И. Упрочение мрамора. // Империя камня. 2001. - № 1.

58. Моторный Н.И. Мрамор Подмосковья. // Камень и бизнес. 1994. - № 2.

59. Мрамор Каррары. // Камень и бизнес. 1994. - № 1.

60. Накамото К. ИК и КР спектры неорганических и координационных соединений. М.: Мир, 1991.

61. Некрасов Б. В. Основы общей химии. 3-е изд. М.: Химия, 1973.

62. Новиков Г. И. Введение в неорганическую химию. Минск: Вышэйшая школа, 1973—1974. Ч. 1,2.

63. Общая химия / Под ред. Соколовской Е. М., Вовченко Г. Д., Гузея JI. С. М.: Изд-во МГУ, 1980.64.0ленин С.С., Фадеев Г.Н. неорганическая химия: Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1979.

64. Осколков В.А. Облицовочные камни месторождений СССР: Справ, пособие. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1991.

65. Пешкова В.М., Громова М.И. Методы абсорбционной спектроскопии в аналитической химии. М.: Высшая школа, 1976.

66. Попов К.Н., Каддо М.Б. Строительные материалы и изделия: учебник. М.: Высшая шк., 2001.

67. Призеры архитектурных премий за использование мрамора. // Камень и бизнес.-2003.- №2.

68. Рабинович В. А, Хавин 3. Я. Краткий химический справочник. 2-е изд. -Л.: Химия, 1978.

69. Рагоне М. Инновации в области использования камня в архитектуре. // Камень и бизнес. 2003. - № 3.

70. Реми Г. Курс неорганической химии. М.: Мир, 1963—1966. Т. 1,2.

71. Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. М.: Мир, 1971. Т. 1,2.

72. Рыженко В.И. Облицовочные материалы. Свойства, применение, технологии. -М.: ТрастПресс, 1999.

73. Сементовский Ю.В. Минеральное сырье. Известняк: Справочник / Науч. ред. А.С.Филько. М.: ЗАО Теоинформмарк", 1999.

74. Семеняк Г.С., Кожухова Г.П. Строительные материалы и архитектурное творчество: учеб.пособие. Челябинск: Изд-во ЧГТУ, 1997.

75. Семишин В. И. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева.-М.: Химия, 1972.

76. Слейбо У., Персоне Т. Общая химия. М.: Мир, 1979.

77. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия. М.: Мир, 1982.

78. Сычёв Ю.И. и др. Облицовочные камни мира: Каталог. М.: Издат. дом "Полет", 2005, Т. 2.

79. Сычёв Ю.И., Берлин Ю.Я. Материаловедение для камнеобработчиков. JL: Стройиздат, 1990.81 .Сычёв Ю.И. Лечение камня. // Камень вокруг нас. 2000. - № 8.

80. Сычёв Ю.И. Камень в облицовке: ошибки, которых можно избежать. // Камень вокруг нас. 1999. - № 6.

81. Сычёв Ю.И., Глазова Г.П. Методика оценки декоративности облицовочного камня. В кн. Облицовочный камень Карело-Кольского региона. Л.: Наука, 1983.

82. Сычёв Ю.И., Моторный Н.И. Закономерности размещения месторождений облицовочного камня на земном шаре. // Камень и бизнес. 1994. - № 1.

83. Третьяков Ю. Д., Зайцев О. С. Программированное пособие по общей химии. М.: Изд-во МГУ, 1971.

84. Третьяков Ю. Д., Зайцев О. С. Программированное пособие по общей и неорганической химии. М.: Изд-во МГУ, 1975.

85. Шеков В.А. Современные требования к продукции из природного камня. // Камень и бизнес. 2003. - № 3.

86. Штерн Э., Тиммонс К. Электронная абсорбционная спектроскопия в органической химии. М.: Мир, 1974.

87. Щукарев С. А. Неорганическая химия, М.: Высшая школа, 1970-1974, Т, 1,2.

88. Care & Cleaning for Natural Stone Surfaces / Marble Institute of America. USA, Ohio, 1995.

89. Conclin E. Rust Stains on Stone. //Roc Maquina. 1993. - № 12.

90. Facade Cladding, Mounting Systems. //Marmo Machine International. 2001. -№4.

91. Hueston F.M. Stain Removal Guide for Stone. USA, Paremus, 1995.

92. McGee E.S. Mineragical characterization of the Shelburne Marble and the Salem Limestone test stones used to study the effects of acid rain. - Denver(Co), 1989.

93. Mignani A. Stone finishing after setting. //Universal Stone. 2002. - № 3.