Технология строительных композитов на основе портландито-алюмосиликатной контактно-конденсационной системы твердения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат технических наук Степанова, Мария Петровна

• Степанова, Мария Петровна
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Степанова, Мария Петровна

Введение.

Бесклинкерные системы твердения в производстве строительных материалов и изделий: состояние вопроса, обоснование задач и содержание исследований.

1.1 Обзор работ по изучению бесклинкерных (бесцементных) вяжущих и систем твердения на их основе в сочетании с компонентам природного и техногенного состава.

1.2 О концепции научно обоснованного решения формирования компактированных контактно-конденсационных систем твердения на основе матрицы из искусственного портландита и наполнителя алюмосиликатного состава.

1.3 Возможные механизмы образования структурных связей в портландито-алюмосиликатных композитах.

1.4 Задачи и содержание исследований.

Структурообразующие компоненты бесклинкерных (изветковых) систем твердения и строительных композитов.

2.1 Портландит - как структурообразующий компонент искусственного портландитового камня.

2.2 Алюмосиликаты как структурообразующий компонент портландито-алюмосиликатных систем твердения и композитов.

2.3 Основные положения методики, методы экспериментальных исследований, применяемые материалы.

2.3.1 Методы изучения фазового состава сырьевых и синтезированных материалов.

2.3.2 Методы определения физико-механических характеристик материалов.

3 Экспериментальные исследования по получению контактно-конденсационных систем твердения и композитов.

3.1 Разработка способов получения индивидуальных микроразмерных кристаллов портландита и обоснование условий их консолидации в мгновенно упрочняющийся портландитовый камень.

3.2 Изучение структурных особенностей выбранных алюмоси-ликатных компонентов.

3.3 Оценка физико-химической активности алюмосиликатных компонентов.

3.4 Исследование возможности формирования компактированных контактно-конденсационных структур композитов из портлан-дитовой матрицы и зерен наполнителя.

3.4.1 Получение композиционного материала при реализации раздельной технологии ( А -варианта).

3.4.2 Получение композиционного материала при реализации совмещенной технологии ( Б-варианта).

3.5 Особенности формирования микроструктуры композитов и синтеза новообразований.

3.5.1 Структурные особенности композита с природным наполнителем

3.5.2 Структурные особенности композита с техногенным наполнителем.

3.6 Выводы.

4 Исследование и оптимизация рецептурно-технологических факторов получения композиционных материалов на основе портландитовой матрицы и наполняющего материала алюмосиликатного состава.

4.1 Определение оптимальных рецептурно-технологических факторов получения композита с наполнителем - тонкомолотый цеолит.

4.2 Определение оптимальных рецептурно-технологических факторов получения композита с наполнителем - тонкомолотый отход керамического производства.

4.3 Выводы.

5 Инновационный потенциал исследований и технологических решений по получению компактированных контактно-конденсационных структур композитов из портландитовой матрицы и зерен наполнителя алюмосиликатного состава.

5.1 Технологические решения производства портландито-алюмосиликатного безавтоклавного кирпича.

5.2 Технико-экономическая целесообразность разработанных технологических решений по производству бесклинкерных безавтоклавных строительных композитов.

5.3 Сравнение эффективности технологических разработок по принципиальным статьям затрат.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология строительных композитов на основе портландито-алюмосиликатной контактно-конденсационной системы твердения»

Актуальность. С древнейших времен известковые, известково-пуццолановые, известково-цемяночные, известково-глинитные вяжущие, составы которых наши предки нашли эмпирическим путем, широко и повсеместно использовались в строительстве. Еще в первой половине XX века эти вяжущие занимали значительное место в строительной практике. Развитие производства и относительная доступность цемента привели к существенному снижению спроса на многие бесклинкерные, в том числе и известковые (портландитовые) вяжущие.

Сегодня приоритеты научно-прикладных технологических разработок как традиционных строительных материалов, так и материалов новых поколений определяются актуализацией концепции и критериев ресурсосбережения и энергоэффективности. Поэтому на современном витке развития строительного материаловедения и промышленных производств, востребованными могут оказаться системы твердения и композиты, получаемые на основе портландита по энергосберегающей контактно-конденсационной технологии. В существе теории этой технологии, опирающейся и на наноподходы, лежит идея о том, что дисперсное аморфное или кристаллическое вещество, находящееся в нестабильном энергетическом состоянии, обладает способностью к конденсации и образованию твердого тела. Реализуя принципы этой идеи, возможно обеспечить формирование систем твердения и композитов из предварительно подготовленных и наделенных неравновесностью энергетического состояния нано- и микроразмерных кристаллов портландита, используемых в смеси с кислотными (включая алюмосиликатные) компонентами природного и техногенного типа. Такие смеси рассматриваются в работе в качестве объекта исследования. Изучение закономерностей структурообразования систем твердения и композитов при этом принимается в работе в качестве предмета исследований.

Таким образом, работа посвящена решению связанных с объектом и предметом исследований вопросов, относящихся к рассмотрению возможностей достижения твердого состояния строительных композитов на основе известковых (бесклинкерных) систем твердения в результате реализации управляемых механизмов контактно-конденсационного структурообразования непосредственно в процессе компактирования смеси нано- и микроразмерных кристаллов портландита и частиц кислотных оксидов и их гидратов без применения тепловой обработки.

Постановка этих исследований отвечает принятой цели диссертационной работы - разработке технологии строительных композитов на основе компактирования кристаллов портландита и компонентов алюмосиликатного состава природного и техногенного типов, с учетом механизмов контактно-конденсационного структурообразования.

Задачи исследований:

1. Рассмотреть возможность получения композиционных материалов с известковыми (бесклинкерными) контактно-конденсационными системами твердения, обладающими способностью к упрочнению непосредственно при принудительном компактировании нано- и микродисперсных частиц исходных щелочных и кислотных оксидов и их гидратов, наделенных или целенаправленно наделяемых неравновесным энергетическим состоянием.

2. Дать анализ механизмов структурообразования кристаллитной (портландитовой) и композитной (портландито-алюмосиликатной) систем твердения при сочетании нано- и микроразмерных кристаллов портландита с микродисперсными и тонкозернистыми алюмосиликатными по составу компонентами.

3. Исследовать закономерности получения индивидуальных нано- и микроразмерных кристаллов портландита с неравновесным энергетическим состоянием и предложить технологические варианты гидратации извести в различных условиях и сочетаниях ее с алюмосиликатным компонентом.

4. Экспериментально подтвердить возможность получения материала портландито-алюмосиликатного состава с учетом структурообразующей роли компонентов при формировании композита.

5. Провести оптимизацию составов и технологических режимов получения портландито-алюмосиликатного композита.

6. Оценить основные физико-механические характеристики полученного материала, разработать предложения к технологическому регламенту производства портландито-алюмосиликатных композитов и направления его практической реализации.

Диссертационная работа выполнялась в рамках программы фундаментальных научных исследований РААСН по приоритетному направлению «Развитие теории и основ конструирования строительных наноструктурированных композитов нового поколения», в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ «Разработка и развитие основ конструирования высокотехнологичных функциональных строительных композитов нового поколения».

Научная новизна работы:

- установлено, что возможность формирования в компактируемом композите различных по величинам прочных связей предопределяется мерой неравновесности энергетического состояния сырьевых компонентов, которое в отношении искусственного портландитового камня достигается изменением способов получения индивидуальных кристаллов портландита, а в отношении алюмосиликатного компонента - применением механо-химической активации посредством тонкого измельчения; показано, что на развитие физико-химических явлений структурообразования и, следовательно, на прочность композита непосредственно после формования влияют состояние кристаллов портландита, определяемое способами их подготовки, а также технологическая вариантность получения портландито-алюмосиликатного композита по раздельной (А - вариант) и совмещенной (Б - вариант) технологиям подготовки сырьевых смесей, включающих природный алюмосиликатных компонент - цеолит и техногенный -керамический бой; доказано, что при структурообразовании портландито-алюмосиликатного композита параллельно реализуются несколько его механизмов: механизм кристаллохимического двойникования при формировании связи «портландит-портландит», синтезный механизм образования новых фаз при развитии структурных связей «портландит-алюмосиликатный минерал», механизм кристаллохимической эпитаксии для связи «портландит - кальцит» и «портландит-кварц»; показано, что основными продуктами новообразований в портландито-алюмосиликатном композите являются гидроалюминаты и гидросиликаты кальция;

- обоснованы и выделены определяющие условия и факторы, оказывающие влияние на формирование структуры и прочности композиций портландита с тонкомолотым цеолитом, с тонкомолотой грубой керамикой; в состав этих условий входят способы получения кристаллов портландита, вариант технологического сочетания кристаллов портландита с кислотным компонентом, а также рецептурно-технологические факторы - массовая доля алюмосиликатного компонента, прессовое давление, влажность формуемой сырьевой смеси.

Практическое значение работы:

- впервые методом компактирования получены композиты на основе матрицы из кристаллов портландита и природных и техногенных алюмосиликатных наполнителей, обладающие «мгновенной» прочностью до 10 МПа, которая к 28 сут возрастает более чем в 2 раза;

- на основании вероятностно-статистических моделей, полученных при проведении эксперимента методом активного планирования, для трех вариантов оптимизационного критерия цели (максимума прочности непосредственно после формования; максимума количества наполнителя в композите для достижения задаваемой прочности; минимума величины прессового давления для обеспечения назначенной начальной прочности) предложены решения по составам исходных портландито-алюмосиликатных смесей и технологическим условиям, обеспечивающим формирование рациональных структур;

- установлено, что энергозатраты в расчете на единицу измерения прочности композита, получаемого по «контактно-конденсационной технологии» в 2-3 раза ниже в сравнении с «цементной технологией» и на 2030 % ниже в сравнении с «автоклавной технологией».

Прикладное значение диссертационных исследований заключается в разработке технологических вариантов получения бесклинкерных (известковых) строительных материалов с использованием природных и техногенных алюмосиликатных компонентов; в обосновании решений по л составам композита, обеспечивающим получение прочности композита непосредственно после формования без тепловой обработки; в разработке предложений по технологии изготовления мелкоштучных стеновых изделий и компоновочных решений производственных линий.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно обоснованных методик комплексных оценок состава, структуры, состояния и свойств материалов, методов планирования экспериментов, моделирования и оптимизации, вероятностно-статистических методов обработки полученных результатов.

Реализация результатов работы. По результатам работы подготовлен «Технологический регламент на изготовление прессованного кирпича на основе кристаллов портландита и тонкомолотого алюмосиликатного компонента», предложены компоновочные решения технологической линии производительностью 5 млн. шт. в год.

Теоретические положения и результаты исследований используются в учебном процессе при постановке учебно-исследовательских работ по дисциплинам «Основы научных исследований и технического творчества», «Методы исследования неорганических веществ и материалов» для бакалавров направления 270800 «Строительство» профиля 270800.62

Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций», по дисциплине «Основы технологи строительных материалов и композитов» для бакалавров направления 020300.62 «Химия, физика и механика материалов».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на XV академических чтениях РААСН (Казань, 2010 г.), на международной конференции «Биосферно-совместимые технологии в развитии регионов» (г. Курск, 2011 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского ГАСУ (2009 - 2012 гг.).

Автор защищает:

- выдвинутые положения о возможных механизмах формирования структурных связей контактно-конденсационного типа в компактируемых портландито-алюмосиликатных композициях; результаты комплексного исследования идентификационных структурных характеристик компонентов, входящих в состав композита;

- разработанные технологические варианты получения кристаллов портландита при гидратации извести в различных условиях и вариантах сочетаниях ее с алюмосиликатным компонентом;

- результаты экспериментальных исследований структурообразования и свойств портландито-алюмосиликатных систем твердения и композитов с использованием природных и техногенных сырьевых материалов алюмосиликатного типа; результаты оптимизации составов и параметров получения портландито-алюмосиликатных композитов контактно-конденсационного твердения; предложения к технологическому регламенту изготовления прессованных мелкоштучных изделий из смесей портландито-алюмосиликатного состава и компоновочные решения технологической линии.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, из них четыре в ведущих рецензируемых научных журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, приложений и содержит 199 страниц, включая 26 таблиц, 68 рисунков, список литературы из 166 наименований.

Заключение диссертации по теме «Строительные материалы и изделия», Степанова, Мария Петровна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ о ВОЗМОЖНОСТИ ПРАКТИЧЕСКОМ РЕАЛИЗАЦИИ результате» научно- нсслсдоплтсльскои роботы

1. Разработчики: д-р техн.наук, проф. 1Е.М. Чернышев, руководитель НМ1'; аспирпнткафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций Степанова М.П., исполнитель НИР

Настоящим заключением подтверждается, что результаты диссертационной работы «Технологии строительных композитен па псионе портландпто-алюлюсиликатпоп коптаитно-конденсаинонной системы тиердсинн», выполненной в Воронежском государственном архитектурно-строительном университетом, приняты к перспективному использованию и практической деятельности ЗАО «Котедж - Индустрия», г. Россошь. 2. Результаты, принятые к практической реализации.

Разработанные технологические парная ты получения бесклинкерпых (известковых) строительных материалов с использованием природных и техногенных ошомоенликатных компонентой; решения по составам композита, обесиечшкиоиигм получение прочности композита непосредственно после формования без тепловой обработки: разработанные предложения по технологии изготовления мелкоштучных степолых изделий н компоновочные решения производственной линии.

3. Характеристика масштаба практической реализации: еднанчныЛ.

4.Реализация результатов: на стадии проектных разработок.

5. Новизна результатов НИР: качественно ноше.

6. Научно-гсхннческнП эффект: открываются возможности получения беск/шнкерного портланднто-ялюмоенликагного композита по энергосберегающей бсэаьгоклпшюй технологии

СОГЛАСОВАНО:

Зам. генерального директора ЗАО «Ко