Строительные штукатурные растворы на некондиционных мелких песках и техногенном сырье
На правах рукописи
Успанова Асет Супьяновна
СТРОИТЕЛЬНЫЕ ШТУКАТУРНЫЕ РАСТВОРЫ НА НЕКОНДИЦИОННЫХ МЕЛКИХ ПЕСКАХ И ТЕХНОГЕННОМ СЫРЬЕ
Специальность
05.23.05 – Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Махачкала - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Муртазаев Сайд-Альви Юсупович.
Официальные оппоненты:
Хаджишалапов Гаджимагомед Нурмагомедович - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры организации строительства, современных технологий и контроля качества ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет»
Сулейманова Людмила Александровна - кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет» им. В.Г. Шухова
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет)»
Защита состоится «22» декабря 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.052.03 при ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» по адресу: 367015, г. Махачкала, пр. И. Шамиля, 70, ауд. 202.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет». Сведения о защите и автореферат диссертации размещены на официальном сайте ВАК Министерства образования и науки РФ http://www.vak.ed.gov.ru и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» http://www.dstu.ru.
Автореферат разослан «21» ноября 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук Х.Р. Зайнулабидова
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Одной из важнейших проблем современного строительного материаловедения является разработка ресурсо- и энергосберегающих строительных композитов на основе использования некондиционного природного сырья и вторичных продуктов промышленного производства.
Строительные композиты на техногенном сырье, обладающие улучшенными технологическими и физико-механическими свойствами, широко востребованы в строительной индустрии, однако, строительные растворы на некондиционных мелких песках и техногенном сырье в виде отсевов дробления бетонного лома и золошлаковых смесей работы ТЭЦ, применяемых для производства штукатурных работ в промышленном и гражданском строительстве, изучены недостаточно.
Из-за низкого модуля крупности и наличия в их составе глинистых и илистых примесей, огромные запасы некондиционного природного песка в многочисленных регионах страны, в т.ч. и Чеченской Республики, не востребованы, хотя использование местной сырьевой базы значительно снижает себестоимость выпускаемой продукции и расширяет сырьевую базу производства строительных материалов.
Эффективное использование техногенного сырья возможно только после осуществления таких технологических переделов, как предварительная механическая и механохимическая активация используемых материалов, с учетом химического и минералогического состава исходного сырья и комплекса требований, предъявляемых к строительным растворам, получаемым с их применением.
Современное высокотехнологическое оборудование для измельчения, применения синергетических модификаторов и суперпластификаторов при переработке вторичного сырья открывает большие возможности для создания новых эффективных строительных композитов, в том числе строительных растворов для штукатурных работ.
Работа проводилась в соответствии с федеральными целевыми программами «Восстановление экономики и социальной сферы Чеченской Республики на 2002 и последующие годы», «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», а также федеральной адресной инновационной программы «Социально-экономическое развитие Чеченской Республики на 2008-2012 гг.».
Цель и задачи работы. Основной целью диссертационной работы является разработка составов строительных штукатурных растворных смесей на основе использования некондиционных мелких песков и техногенного сырья с улучшенными технологическими и физико-механическими свойствами.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- обосновать возможность повышения технологических и физико-механических свойств растворных смесей за счет использования техногенного сырья и некондиционных мелких песков;
- разработать комплексную модифицирующую добавку (КМД) на основе золошлаковой смеси для штукатурных растворных смесей, полученных с использованием техногенного сырья и некондиционных мелких песков;
- изучить зависимость влияния комплексной модифицирующей добавки на технологические и физико-механические свойства штукатурных растворов;
- обосновать обеспечение требуемых технологических и физико-механических свойств штукатурных растворных смесей на мелких песках повышением их модуля крупности за счет использования отсевов дробления бетонного лома;
- провести опытно-производственное опробование результатов исследования.
Научная новизна диссертационного исследования:
- обоснована возможность получения высококачественных штукатурных растворных смесей с улучшенными технологическими и физико-механическими свойствами за счет использования техногенного сырья и некондиционных мелких песков;
- с помощью методов математического планирования экспериментов получены многофакторные квадратичные зависимости соотношения фракций отсевов дробления бетонного лома от количества мелких песков для их обогащения;
- доказано, что обогащение некондиционных мелких песков отсевами дробления повышает прочность и адгезионную способность штукатурных растворов;
- установлена зависимость оптимальной величины удельной поверхности золошлаковой добавки от продолжительности механоактивации;
- установлена зависимость влияния добавки молотой золошлаковой смеси на свойства штукатурных растворов на заполнителях местных месторождений, а также отсевах дробления бетонного лома от введенного количества и продолжительности помола;
- разработана комплексная модифицирующая добавка на основе золошлаковой смеси, суперпластификатора С-3 и органических ПАВ, роль которых выполняют примеси в мелких песках;
- с помощью методов РФА, ДТА и электронной микроскопии установлено, что введение комплексной модифицированной добавки способствует существенному повышению показателей качества штукатурных смесей на обогащенных мелких песках – удобоукладываемости, жизнеспособности, прочности, адгезии, водоудерживающей способности, снижению расслаиваемости и подвижности.
Практическая значимость диссертационной работы:
- разработана технология производства комплексной модифицирующей добавки (КМД) на основе механоактивированной золошлаковой смеси и суперпластификатора С-3;
- доказано, что обогащение некондиционных мелких песков отсевами дробления бетонного лома существенно повышает показатели технологических свойств и адгезионной способности штукатурных растворов;
- получены высококачественные штукатурные растворные смеси марок М75 и М150 на основе техногенного сырья и обогащенных мелких песков.
Внедрение результатов работы. Опытно-производственное опробование разработанных технических условий и стандарта организации было произведено в ООО «Элитстрой» г. Грозный. Была произведена опытная партия штукатурных растворных смесей марок М75 … М150 в объеме 3250 м3.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
- использованием апробированных методов экспериментальных исследований, применением математических методов планирования эксперимента и поверенного оборудования;
- применением современного программного обеспечения (Excel, Statistik, Mathcad) при обработке экспериментальных данных, испытанием необходимого количества контрольных образцов, обеспечивающих доверительную вероятность 0,95 при коэффициенте вариации менее 10 %.
Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований, представленных в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на:
1. Межрегиональном Пагоушском симпозиуме «Наука и высшая школа Чеченской Республики: Перспективы развития межрегионального и международного научно-технического сотрудничества», г. Грозный, 2010 г.;
2. Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 10-летию со дня основания Комплексного научно-исследовательского института Российской Академии Наук (КНИИ РАН), г. Грозный, 2011 г.;
3. Пятой международной конференции «Горное, нефтяное, геологическое и геоэкологическое образование в XXI веке», ГОУ ВПО «Грозненский государственный нефтяной институт им. акад. М.Д. Миллионщикова», ГОУ ВПО «Российский университет дружбы народов», г. Грозный, 2010 г.;
4. 14-м Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед – 2011», г. Москва, 2011 г.;
5. III-ем Республиканском конкурсе проектов и программ «Научно-техническая творческая молодежь Чеченской Республики - 2011» (НТТМ ЧР-2011), Комитет Правительства ЧР по делам молодежи, г. Грозный, 2011 г.;
6. I-ом республиканском конкурсе по Чеченской республике «Участник молодежного научно - инновационного конкурса» («УМНИК»), г. Грозный, 2012 г.
На защиту выносятся:
- обоснование возможности получения высококачественных штукатурных растворных смесей с улучшенными технологическими и физико-механическими свойствами на основе использования техногенного сырья и некондиционных мелких песков;
- зависимость соотношения в заполнителе фракций отсевов дробления бетонного лома от количества мелких песков для их обогащения;
- зависимость соотношения в заполнителе отсевов дробления и мелких песков от технологических свойств и адгезионной способности штукатурных растворов;
- зависимость оптимальной величины удельной поверхности золошлаковой добавки от продолжительности механоактивации;
- зависимость влияния добавки молотой золошлаковой смеси на свойства штукатурных растворов на некондиционных мелких песках Червленного, Толстой-Юртовского, Веденского и Беноевского месторождений и отсевах дробления бетонного лома от его количества и продолжительности помола;
- обоснование возможности получения комплексной модифицирующей добавки на основе золошлаковой смеси, суперпластификатора С-3 и органических ПАВ, роль которых выполняют примеси в мелких песках;
- закономерности изменения основных свойств штукатурных растворных смесей на обогащенных песках при введении в их состав комплексной модифицирующей добавки;
- результаты опытно-производственного апробирования.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 работ, в том числе 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и 3 приложений. Работа изложена на 190 страницах машинописного текста, включает 41 таблицу, 37 рисунков, список использованной литературы состоит из 261 наименования.
2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Для обоснования рабочей гипотезы в работе проведен анализ литературных источников по проблеме производства строительных растворов для штукатурных работ на традиционном минеральном и на техногенном сырье. Проведен анализ опыта использования в строительных растворах сырья различного происхождения и дана их обобщенная классификация.
Анализ источников научно-технической и патентной литературы свидетельствует о том, что строительные растворы на мелких песках, ввиду их низкого качества, относят к низкомарочным, и объем их применения в строительстве очень мал. Это связано и отсутствием как нормативных документов по использованию некондиционных мелких и очень мелких песков для приготовления растворных смесей, так и отсутствием конкретных результатов исследования добавок, способных обеспечить повышение эффективности их применения. В то же время, использование некондиционных мелких песков с комплексным применением техногенного сырья для улучшения свойств растворных смесей является одним из перспективных направлений в строительной отрасли. В настоящее время недостаточно изучены способы оптимизации гранулометрического состава мелких песков, вопросы технологии и эффективного применения комплексных добавок для строительных растворов на техногенном сырье и мелких некондиционных песках.
Использование некондиционных мелких песков местного происхождения, объемы месторождений которых на территории Чеченской Республики значительны, наряду с применением техногенного сырья существенно расширяет сырьевую базу штукатурных растворов.
Исследованиям особенностей технологии приготовления строительных растворов на традиционном заполнителе и с применением техногенного сырья посвящены работы Ю.М. Баженова, Л.А. Алимова, Д.К-С. Батаева, В.В. Воронина и многих других отечественных и зарубежных ученых.
Важнейшими технологическими характеристиками строительных растворов являются жизнеспособность, удобоукладываемость и подвижность. При этом для получения строительных растворных смесей с заданными свойствами в их рецептуре, наряду с использованием различных модифицирующих добавок и наполнителей, увеличивают расход вяжущего, что приводит к существенному увеличению его себестоимости. Получение эффективных строительных растворов с требуемыми технологическими и физико-механическими свойствами обеспечивается достижением минимальной пустотности применяемых заполнителей, используемых при приготовлении растворных смесей. Компактность укладки зёрен сыпучих материалов зависит от их соотношения. В настоящее время многочисленными исследованиями установлено, что наименьшая пустотность достигается в том случае, когда мелкие зёрна заполнителя имеют диаметр в 16 раз меньший, чем крупные и составляют 3/7 массы этой фракции или же для двухфракционных составов оптимальным является использование 70 % крупных фракций и 30 % мелкой.
При таком соотношении для приготовления цементно-песчаных растворов приходится расходовать значительное количество вяжущего, что нецелесообразно как с экономической, так и с технической точки зрения, так как растворы с повышенным расходом вяжущего обладают повышенной склонностью к изменениям объёма под влиянием колебаний температуры и влажности. Такие смеси весьма быстро теряют необходимую с ними для работы подвижность и расслаиваются.
Технологическими свойствами растворных смесей можно управлять применением добавок различного происхождения. Наиболее востребованными и перспективными в отрасли строительных материалов являются добавки техногенного происхождения – на основе золы-уноса, шлака, рисовой шелухи, микрокремнезема, отходов целлюлозного и химического производства. Минеральные добавки-наполнители являются возбудителями интенсивных капиллярных явлений. Зёрна наполнителя в строительном растворе адсорбируют воду из цементного теста, в последующем отдавая её обратно по мере затвердевания и высыхания раствора. Эта особенность процесса водопоглощения и водоотдачи существенно сказывается на свойствах цементного камня и, следовательно, на качестве строительного раствора.
Введение тонкодисперсных минеральных добавок влияет на жизнеспособность растворных смесей. Изменение продолжительности периодов начального структурообразования можно объяснить тем, что увеличение степени наполнения цементного теста, вследствие снижения пластичности, требует увеличения водосодержания для получения теста нормальной консистенции. С увеличением количества воды и, соответственно, уменьшением в единице объёма доли цементного вяжущего, сроки схватывания увеличиваются, так как водные оболочки становятся толще и продуктами новообразований для создания коагуляционно-кристаллизационной структуры требуется заполнить больший объём.
Таким образом, содержание тонкомолотых добавок минерального происхождения позволяет сохранить общий объём теста, достаточный для заполнения пустот песка и обмазки зёрен заполнителя, получать удобоукладываемые растворные смеси, стимулировать повышение водоудерживающей способности и жизнеспособности растворов.
Однако, введение тонкодисперсных наполнителей приводит к увеличению водопотребности растворных смесей. Повышенный расход воды резко снижает эффективность применения наполнителей в строительных растворах. Поэтому сокращение водосодержания в таких смесях возможно за счёт пластификации их органическими ПАВ. При постоянном расходе воды использование ПАВ обусловливает увеличение подвижности растворных смесей.
Основное специфическое отличие строительных растворов для штукатурных работ заключается в том, что они применяются в виде тонких слоёв, наносимых на основания без механического уплотнения. Это обстоятельство предъявляет особые требования к свойствам таких растворов, которые должны обладать не только высокой подвижностью, но и не терять её быстро, вследствие отсоса воды пористым основанием.
Раствор, обладающий высокой водоудерживающей способностью, отдаёт пористому основанию излишнюю часть воды постепенно, от чего становится плотнее и, следовательно, прочнее. Вследствие повышения водоудерживающей способности растворные смеси сохраняют требуемую подвижность длительное время. Удлинение сроков загустевания раствора или повышение жизнеспособности, т. е. способности растворов сохранять удобоукладываемость спустя некоторое время после хранения, создают благоприятные условия влажностного твердения растворов.
Растворная смесь будет удобоукладываема в том случае, когда теста вяжущего достаточно для заполнения межзернового пространства и обмазки поверхности зёрен песка. Отсутствие крупного заполнителя в растворах существенно увеличивает общую поверхность зёрен и пустотность раствора, заполнение которой требует значительного расхода цемента, являющегося, с точки зрения невысоких прочностных требований, предъявляемых к растворам, часто экономически нецелесообразных. Снижение расхода цемента по условию заданной прочности ведёт к получению неудобоукладываемого, легко отдающего воду, раствора.
В связи с этим, особый интерес представляют исследования влияния добавок органического и минерального происхождения, как на стадии приготовления растворных смесей, так и в процессе создания структуры затвердевшего раствора. Анализ применения в строительных растворах различных добавок минерального происхождения свидетельствует о неоднородности их минерального, фазового, гранулометрического составов и о значительном содержании вредных примесей.
Таким образом, на основании проведенного анализа различных источников информации поставлена рабочая гипотеза: обосновать возможность повышения технологических и физико-механических свойств строительных растворов для штукатурных работ за счет использования техногенного сырья и некондиционных мелких песков на территории Чеченской Республики.
Для подтверждения положений рабочей гипотезы проведены системные исследования с использованием следующих материалов:
- минеральные вяжущие: портландцемент ПЦ 500-Д0, соответствующий ГОСТ 10178-85, производства ФГУП «Чири-Юртовский цементный завод», и Себряковцемент ЦЕМ I 42,5Н;
- местные некондиционные мелкие пески Червленного, Веденского, Толстой-Юртовского и Беноевского месторождений;
- комплексная модифицирующая добавка, разработанная на основе суперпластификатора С-3 (СП С-3), соответствующая ТУ 6-36-0204229-625-90 и золошлаковой смеси с ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3 г. Грозного.
Вещественный состав и основные характеристики, показатели качества используемых мелких песков для строительных растворов приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Химический состав минеральных заполнителей
| Наименование месторождения заполнителя | Состав, % | ||||||||
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | CaO | TiO2 | SO3 | Другие неорганические компоненты | ппп | |
| Червленное | 64,27 | 2,55 | 3,78 | 2,31 | 7,48 | 0,10 | 0,36 | 13,35 | 5,8 |
| Толстой-Юртовское | 79,97 | 4,22 | 1,54 | 2,09 | 2,92 | 0,12 | 0,80 | 6,64 | 1,7 |
| Веденское | 78,57 | 6,30 | 1,94 | 2,12 | 3,40 | 0,10 | 0,99 | 4,38 | 2,2 |
| Беноевское | 79,84 | 4,95 | 1,69 | 2,46 | 0,10 | 0,10 | 0,33 | 7,73 | 2,8 |
| Отсев дробления бетонного лома | 51,4 | 5,01 | 3,72 | 1,25 | 35,23 | 0,31 | 0,6 | 2,37 | 0,1 |
Таблица 2
Основные характеристики и показатели качества песков
| Наименование месторождения заполнителя | Показатели песка | |||||
| Модуль крупности, Мк | Влажность песка, % | Содержание пылевидных и глинис тых частиц, % | Средняя плотность зерен, кг/м3 | Средняя насыпная плотность, кг/м3 | Пустотность песка, % | |
| Червленное | 1,9 | 20 | 2,4 | 2620 | 1560 | 13 |
| Толстой-Юртовское | 1,3 | 17 | 1,4 | 2300 | 1300 | 16,8 |
| Веденское | 1,4 | 19 | 2,2 | 2360 | 1320 | 17,8 |
| Беноевское | 1,2 | 23 | 2,3 | 2220 | 1260 | 14,6 |
Некондиционные мелкие пески на территории Чеченской Республики, за исключением Червленного песка, не востребованы в строительном производстве. Низкое значение модуля крупности, преобладание мелких фракций в зерновом составе в совокупности, сверхнормативное количество глинистых примесей приводит к получению низкомарочных растворов. Одним из способов повышения качества растворной смеси является использование, в качестве части песка, заполнителя с более высоким модулем крупности. Известно, что месторождений крупных песков в Чеченской Республике нет, и в качестве заполнителя с повышенным модулем крупности использовался отсев дробления бетонного лома. В табл. 3 и 4 представлены зерновой и химический составы отсева дробления бетонного лома.
Таблица 3
Зерновой состав отходов дробления бетонного лома
| Наименование сырья для отсева | Остатки на ситах, % по массе | Проход через сито № 0,16, % по массе | Содержание пыл. и глин. частиц, % по массе | Модуль крупности, МК | ||||
| 2,5 | 1,25 | 0,63 | 0,315 | 0,16 | ||||
 |  |  |  |  | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| Бетонный лом |  |  |  |  |  | 11,0 | 6,2 | 2,8 |
Для разработки комплексной модифицирующей добавки (КМД) использовалась золошлаковая смесь из отвалов ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3 Заводского района г. Грозного, содержащая следующие компоненты – табл. 4.
Таблица 4
Химический состав золошлаковой смеси, %
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | CaO | TiO2 | SO3 | Другие неорганические компоненты | ппп, % |
| 32,88 | 13,89 | 7,95 | 2,49 | 2,84 | 0,11 | 0,66 | 6,18 | 33,0 |
Для определения физико-механических свойств строительных растворов применялись стандартные разрушающие и неразрушающие методы контроля. Морозостойкость определялась дилатометрическим методом ускоренного определения морозостойкости с использованием прибора «БЕТОН-ФРОСТ». Макро- и микроструктура штукатурных растворов изучалась с помощью системы с электронными и сфокусированными ионными пучками Quanta 3D 200i Dual System FEL. В работе использовались методы математического планирования эксперимента со статистической обработкой результатов и стандартные методы испытания штукатурных растворов.
Качество строительного раствора, как известно, слагается из показателей технологических, физико-механических и свойств растворной смеси. Одним из важнейших технологических показателей является удобоукладываемость растворной смеси, предполагающая, что для получения удобоукладываемых и жизнеспособных смесей необходимо достаточное количество вяжущего для обволакивания зерен заполнителя, т.е. оптимальное соотношение вяжущего и заполнителя.
Известно, что одна часть вяжущего к 2,33 частям заполнителя - оптимальное соотношение в традиционном строительном растворе. Это обусловлено, тем чтобы не допустить перерасхода вяжущего и вследствие этого, ухудшения технологических свойств раствора. Это соотношение является оптимальным с точки зрения достаточности цементного теста для обмазки зерен песка и их дальнейшего срастания в конгломерат. Технологические свойства растворной смеси на мелких песках с примесями глины (удобоукладываемость, подвижность, водоудерживающая способность, жизнеспособность) зависят от упаковки зерен в композите с пластифицирующими прослойками глины между зернами песка, вследствие чего, раствор обладает повышенной подвижностью и склонностью к расслоению. Кроме того, они характеризуются невысокой прочностью сцепления с основанием (адгезией), которая для сейсмических условий Чеченской Республики особо актуальна.
Исследования показателей качества строительных штукатурных растворов на некондиционных мелких песках проводились по стандартной методике с соблюдением вышеуказанного соотношения между вяжущим и заполнителем.
Проведенные исследования по изучению штукатурных растворов на мелких песках показал, что рецептура таких растворов нуждается в улучшении, как технологических, так и физико-механических свойств. Одним из самых простых и надежных способов улучшения качества штукатурных растворов является обогащение гранулометрического состава заполнителя. Пески указанных месторождений имеют модуль крупности Мк=1,2-1,9 и относятся к группе мелких и очень мелких песков с примесями глины 1,4-2,4 %. При использовании в качестве мелкого заполнителя этих песков, учитывая пластифицирующий эффект примесей глины, приводят к снижению прочности и увеличению подвижности и расслаиваемости растворной смеси. Обогащение зернового состава мелких песков средне- и крупнозернистым заполнителем должно существенно улучшить качество растворных смесей.
В работе изучены свойства отсевов дробления бетонного лома, используемые для обогащения заполнителя из очень мелкого песка. Согласно химическому и минералогическому анализу, отсев дробления соответствует требованиям, предъявляемым к заполнителю, но по зерновому составу (Мк=2,8) нежелателен в штукатурных растворах. Результаты испытаний штукатурных растворов на отсеве дробления в качестве заполнителя показали, что за счет наличия повышенного модуля крупности растворы на отсевах дробления обладают более высокой прочностью в сравнении с растворами на мелких песках (R28= 13,3 МПа), но невысокими технологическими свойствами (табл. 5).
Таблица 5
Технологические и физико-механические свойства строительных растворов на различных видах заполнителя
| Наименование месторождения заполнителя | В/Ц | Подвижность, см | Водоудержи- вающая способность, % | Расслаиваемость, % | Жизнеспособность, час | Адгезия, МПа | Прочность на сжатие, МПа |
| Червленное | 0,6 | 19,5-20,0 | 92,0-93,6 | 15,3 | 1,2-1,5 | 0,05 | 10,4 |
| Веденское | 20,0-22,0 | 95,2-95,8 | 14,8 | 1,0-1,2 | 0,046 | 9,8 | |
| Толстой-Юртовское | 18,0-20,0 | 96,1-97,2 | 15,0 | 1,0-1,3 | 0,063 | 10,6 | |
| Беноевское | 13,0-15,0 | 90,4-92,5 | 14,5 | 1,2-1,5 | 0,058 | 8,5 | |
| Отсев дробления бетонного лома (ОДБЛ) | 5,5 | 85,6 | 15,4 | 0,5-1,0 | 0,09 | 13,43 |
Для определения оптимального соотношения крупной и мелкой фракций (ОДБЛ и мелких песков) заполнителя был применен метод математического планирования экспериментов. Факторы и уровни их варьирования представлены в табл. 6.
Таблица 6
Условия планирования эксперимента и уровни их варьирования
| Факторы | Уровни варьирования | Интервал | |||
| Натуральный вид | Кодовый вид | -1 | 0 | 1 | |
| Расход ОДБЛ | Х1 | 20,00 | 40,00 | 60,00 | 20,00 |
| Расход песка | Х2 | 30,00 | 50,00 | 70,00 | 20,00 |
Уравнение регрессии:
Y=0,8403+0,0300X1+0,0517X2+0,0104X12+0,0046X22+0,0050X1X2
На основании полученных математических моделей и проведенных экспериментальных исследований определено соотношение фракций – 30 % мелкого песка и 70 % отсева дробления (табл. 7 и 8), позволяющие получать достаточно прочные растворы с улучшенными технологическими свойствами.
Таблица 7
Рецептура строительного раствора
| № п/п | Соотношение П:ОДБЛ | Рецептура строительного раствора, кг/м3 | |||
| Цемент | Песок | ОДБЛ | Вода | ||
| А | 30/70 | 450 | 315 | 734 | 270 |
| Б | 30/70 | 400 | 280 | 652 | 240 |
Введение в рецептуру штукатурных растворов отсевов повышает их адгезию и прочность и, поэтому, с целью расширения области применения предлагаемых составов разработана рецептура с применением отсевов и песков различного зернового состава в соответствии с предъявляемыми к ним требованиями (табл. 8).
Таблица 8
Показатели качества штукатурных растворов
| Наименование месторождения заполнителя | Прочность на сжатие, МПа | В/Ц | Подвижность, см | Водоудерживающая способность, % | Адгезия, МПа | Расслаиваемость, % | Жизнеспособность, час |
| Червленное | 12,2 | 0,6 | 18,0 | 95,2 | 0,30 | 10,3 | 1,5-2,0 |
| Веденское | 10,5 | 19,2 | 96,0 | 0,26 | 11,8 | 1,2-1,5 | |
| Толстой-Юртовское | 11,9 | 18,0 | 97,8 | 0,27 | 12,0 | 1,3-1,5 | |
| Беноевское | 9,3 | 13,5 | 95,8 | 0,23 | 11,5 | 1,5-2,0 |
Анализ изучения микроструктуры исследованных штукатурных растворов с мелкими песками и ОДБЛ (рис. 1) свидетельствуют о более плотной поверхности структуры контактной зоны с обогащенной смесью мелкого песка (а) по сравнению с контактной зоной раствора на отсевах дробления (б).
Таким образом, предлагаемый в работе зерновой состав заполнителя строительного раствора позволяет получить плотную структуру растворной смеси, минимизировать межзерновые пустоты, улучшить сцепление между вяжущим и заполнителем, что приводит к увеличению плотности и прочности раствора до 30-35 % и указывает на эффективность использования отсевов дробления для повышения качества штукатурных растворов.
Еще одним эффективным технологическим способом улучшения качества растворной смеси является применение комплексных добавок полифункционального назначения. Наиболее перспективными в данном отношении являются минеральные добавки техногенного происхождения.
 |  |
 |  |
| а) строительный раствор на ОДБЛ | б) строительный раствор на ОДБЛ и песке |
Рисунок 1 – Вид контактной зоны строительного раствора на отсевах дробления (а) и на обогащенных мелких песках (б)
Применение минеральных добавок является перспективным направлением в производстве штукатурных растворов и бетонов, в качестве которых в исследуемых штукатурных растворах использовались золошлаковые смеси с ТЭЦ 1, 2 и 3 г. Грозный, прошедшие предварительное квартование и очищение.
При исследовании эффективности применения в штукатурных растворах золошлаковые смеси предварительно были высушены, просеяны сквозь сита с сеткой № 2,5 и 1,25 и перемолоты в измельчителе-дезинтеграторе модели «ГОРИЗОНТ-300/4500-7.5» в течение 1-3 минут до получения требуемого значения удельной поверхности (рис. 2).
Рисунок 2 – Влияние времени помола наполнителя на величину его удельной поверхности
Проведенные исследования показали, что в твердеющей системе золошлаковая смесь - мелкие пески с повышенным содержанием примесей глины происходят физико-химическое взаимодействие, выражающееся в расходовании физически связанной воды слоистых силикатов глины на гидратацию минералов золошлаковой смеси, провоцируя демпферный эффект, одновременно усиливающийся за счет замещения межслоевых обменных катионов Nа+ и К+ монтмориллонита на катионы Са2+ и Mg2+ золы, что характеризуются сближением и “сшиванием” отрицательно заряженных элементарных слоев глинистого минерала и его литификацией.
Известно, что взаимодействие золошлаковой смеси и тонкодисперсной глины существенно увеличивает поверхность соприкасания зерен вяжущего между собой и с поверхностью заполнителя, что объясняется способностью ультрамикроблоков монтмориллонита к расщеплению при механической переработке в водной среде вплоть до элементарных слоев с возможным достижением размеров фрагментов 1…5 нм, что соответствует требующимся параметрам контакта – в зоне радиуса действия молекулярных сил (около 10 нм).
При этом в твердеющем композите формируется прочная полимероподобная структура из гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, отличающаяся отсутствием крупнокристаллических скоплений. Наряду с этим создаются условия для ионного обмена между вяжущим и поверхностью песка, в частности ионов Са2+ золы с кальцитом карбонатного заполнителя с образованием основного карбоната кальция в виде гелеобразной массы, и при наличии оксидов алюминия глины участвующего в образовании гидрокарбоалюминатов кальция.
Исследования по изучению влияния техногенного сырья и местных мелких песков на показатели качества штукатурных растворов проводились с применением стандартных методик и сводились к определению физико-механических (прочность на сжатие) и технологических (подвижность) свойств в зависимости от расхода золошлаковой смеси и времени его помола (табл. 9).
Варьировались расход минерального компонента (ЗШС) от 25 до 75% через каждые25% и время помола от 5 до 15 минут через каждые 5 минут.
Таблица 9
Показатели качества штукатурных растворов с добавкой ЗШС
| Рецептура А и Б на песках месторождений | Прочность на сжатие, МПа | Время помола, мин. | Подвижность, см | ||||
| 25 % ЗШС | 50% ЗШС | 75 % ЗШС | 25 % ЗШС | 50% ЗШС | 75 % ЗШС | ||
| Червленное | 13,1 | 12,8 | 12,6 | 5 | 15,2 | 16,0 | 16,9 |
| 12,9 | 12,5 | 12,5 | 10 | 15,5 | 16,2 | 17,2 | |
| 12,3 | 12,0 | 11,8 | 15 | 15,8 | 16,5 | 17,2 | |
| Веденское | 12,1 | 11,7 | 11,4 | 5 | 16,5 | 16,7 | 16,7 |
| 11,5 | 11,3 | 11,0 | 10 | 16,6 | 16,9 | 17,2 | |
| 11,3 | 11,1 | 11,1 | 15 | 16,8 | 17,2 | 17,4 | |
| Толстой-Юртовское | 13,2 | 13,0 | 12,8 | 5 | 15,0 | 15,2 | 15,5 |
| 12,4 | 12,2 | 11,8 | 10 | 15,5 | 15,8 | 15,8 | |
| 12,2 | 11,9 | 11,9 | 15 | 15,7 | 16,0 | 16,1 | |
| Беноевское | 10,01 | 9,8 | 9,5 | 5 | 12,5 | 12,8 | 13,0 |
| 9,6 | 9,2 | 9,0 | 10 | 12,3 | 12,6 | 13,5 | |
| 9,5 | 9,1 | 9,0 | 15 | 12,8 | 13,2 | 13,8 | |
| ОДБЛ без песка | 15,6 | 15,5 | 14,5 | 5 | 6,5 | 6,6 | 7,7 |
Введение минеральных добавок в виде золошлаковой смеси способствует, при оптимальном его расходе, повышению значений адгезии (рис. 3.), а также улучшению технологичности растворной смеси понижая расслаиваемость и повышая жизнеспособность и водоудерживающую способность (табл. 10).
Проведенными исследованиями установлено, что улучшение качества растворной смеси и раствора обеспечивается введением в рецептуру раствора до 25 % добавки ЗШС при оптимальном времени его помола, в случае увеличения расхода добавки существенного улучшения ни технологических, ни физико-механических свойств не выявлены.
Повышение важнейших технологических характеристик штукатурных растворов на обогащенных песках с добавкой золошлаковой смеси в работе обеспечивалось комплексным подходом, реализованном на основе оптимизации составов, регулированием в них содержания золошлакового наполнителя, стабилизацией значений подвижности растворной смеси и приемами по повышению жизнеспособности растворной смеси.
Рисунок 3 – Влияние добавки золошлаковой смеси на прочность сцепления штукатурного раствора с основанием
Таблица 10
Технологические характеристики растворной смеси с добавкой золошлаковой смеси
| Наименование месторождения заполнителя | Водоудерживающая способность, % | Расслаиваемость, % | Жизнеспособность, час | ||||||
| 25 % ЗШС | 50% ЗШС | 75 % ЗШС | 25 % ЗШС | 50% ЗШС | 75 % ЗШС | 25 % ЗШС | 50% ЗШС | 75 % ЗШС | |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | ||
| Червленное | 96,2 | 96,5 | 95,0 | 9,7 | 10,3 | 10,1 | 2,5-3,0 | ||
| 96,0 | 96,5 | 94,6 | 9,65 | 10,5 | 10,5 | 2,0-2,5 | |||
| 95,8 | 96,3 | 94,6 | 9,8 | 10,9 | 10,8 | 2,0-2,5 | |||
| Веденское | 97,2 | 96,9 | 95,8 | 10,5 | 11,2 | 11,8 | 2,5-3,0 | ||
| 96,5 | 95,7 | 95,2 | 10,8 | 11,0 | 12,7 | 2,0-2,5 | |||
| 96,2 | 95,7 | 95,0 | 11,8 | 12,0 | 12,9 | 2,0-2,5 | |||
| Толстой-Юртовское | 98,0 | 97,2 | 97,0 | 10,2 | 10,8 | 11,5 | 2,5-3,0 | ||
| 97,5 | 97,3 | 97,0 | 10,5 | 10,99 | 11,3 | 2,0-2,5 | |||
| 96,8 | 97,2 | 97,0 | 10,6 | 11,2 | 11,8 | 2,0-2,5 | |||
Продолжение таблицы 10
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| Беноевское | 97,0 | 96,5 | 96,2 | 10,2 | 10,8 | 10,8 | 2,5-3,0 |
| 96,3 | 95,8 | 95,8 | 10,5 | 11,0 | 11,2 | 2,0-2,5 | |
| 95,9 | 96,3 | 96,1 | 11,1 | 11,5 | 11,6 | 2,0-2,5 | |
| ОДБЛ без песка | 90,2 | 86,9 | 85,4 | 12,2 | 12,9 | 13,0 | 1,5-2,0 |
Реализация такого подхода обеспечивалась разработкой комплексной модифицированной добавки с использованием механоактивированных золошлаковой смеси с суперпластификатором и обогащенных песков.
С целью снижения расхода цемента, улучшению физико-механических свойств растворов и повышению качества готовых композитов в работе применена механоактивация исследуемых смесей растворов. Механоактивации изменяет поверхность частиц золошлаковой смеси и суперпластификатора (чем больше дефектов на поверхности зерен ЗШС и СП С-3, тем выше контактная адгезия компонентов), увеличивает тонкость их помола, способствует образованию физических дефектов и получению однородной смеси этих компонентов.
На основе проведенных исследований с применением механоактивированной золошлаковой смеси и суперпластификатора С-3 разработана комплексная модифицированная добавка (КМД), повышающая качества штукатурных растворов на обогащенных песках (табл. 11).
Таблица 11
Рецептура комплексной модифицированной добавки
| № п/п | Соотношение компонентов | Время помола, мин | Удельная поверхность, см2/г | |
| ЗШС, % по массе | С-3, % по массе | |||
| 1 | 97,0-99,5 | 0,5-3,0 | 1 | 4895 |
| 3 | 6051 | |||
| 5 | 7207 | |||
Подбор наиболее рационального соотношения в КМД золошлаковой смеси и суперпластификатора был произведен на основе использования метода математического планирования экспериментов с применением квадратичного двухфакторного 2-х эксперимента.
Для исследования микроструктуры штукатурных растворов с КМД был проведен ренгено-фазовый анализ с помощью растрового электронного микроскопа Quanta 3D 200iDual system FEL. Были отобраны образцы для пробоподготовки. Цементный камень с добавленной золошлаковой смесью изучали методом рентгенофазового анализа (РФА) и дифференциально-термического анализа (ДТА). По результатам исследования, степень гидратации цемента, исходя из степени гидратации С3S показал, что степень гидратации образцов составила около 80%.
На рентгенограмме зафиксированы межплоскостные расстояния, принадлежащие следующим минералам: эттрингит( d= 9,571-5,553-3,848- 2,547-2,204 А), гидросиликат кальция (d= 4,889- 3,100- 2,772- 1,926- 1,796 – 1,685- 1,491-1,442), рис. 4.
По количеству гидроксида кальция можно судить по интенсивности пика с d= 4,889 А, так как он принадлежит только гидроксиду кальция, на него не накладываются другие рефлексы. Можно предположить, что гидроокись кальция вступает в реакцию с аморфным кремнеземом с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция. Однако, основные рефлексы гидросиликатов кальция с d более 12 А находятся в малоугловой области, которая не представлена на дифрактограммах.
Рисунок 4 – Рентгенограмма цементного камня с добавкой золошлаковой смеси
Рефлекс 3,1 А, относящийся к гидросиликатам кальция, принадлежит также и к другим минералам. Очевидно, большая часть находится в аморфном состоянии и не дает отражений на дефектограммах. Карбонат кальция имеет набор линий с d= 3,1- 2,492- 2,283- 2,094- 1,909- 1,874- 1,628 – 1,6044- 1,525- 1,485Аэ. Все рефлексы хорошо выражены, имеют большую интенсивность и симметрию.
На основе полученных моделей были проведены экспериментальные исследования по изучению влияния комплексной модифицирующей добавки на технологические и физико-механические свойства штукатурных растворов. В состав строительного раствора на обогащенных песках вводилась комплексная модифицирующая добавка в количестве (1,3,10) % от массы цемента трехминутного помола. Проведенные исследования показали, что увеличение содержания КМД в составе штукатурных растворов на обогащенных песках больше чем на 3 % нецелесообразно и приводит лишь к незначительному повышению показателей технологических и физико - механических свойств. Дальнейшее увеличение содержания КМД способствует к получению нестабильных составов из-за избытка пластификации и расслоению растворной смеси (табл. 12).
Таким образом, приготовление штукатурных растворов с использованием методов активации КМД обеспечивает повышение технологических и физико-механических свойств штукатурных растворов.
Использование техногенных отходов и местной сырьевой базы существенно снижает себестоимость штукатурных растворов и повышает их качество.
Таблица 12
Влияние КМД на качество штукатурных растворов на обогащенных песках
| Наименование месторождения заполнителя | Прочность на сжатие, МПа | Подвижность, см | Водоудерживающая способность, % | Адгезия, МПа | Расслаиваемость, % | Жизнеспособность, час |
| Червленное |  |  |  |  |  |  |
| Веденское |  |  |  |  |  |  |
| Толстой-Юртовское |  |  |  |  |  |  |
| Беноевское |  |  |  |  |  |  |
Примечание: над чертой – результаты исследований при расходе КМД -3%; под чертой-10%.
На основании исследований разработана технологическая схема приготовления штукатурных растворных смесей с использованием комплексной модифицирующей добавки применительно к мелким местным пескам. Для промышленного внедрения разработанной рецептуры растворов представлен стандарт организации на КМД и технологический регламент на производство растворной смеси на мелких песках и КМД.
Апробация полученных в результате работы рецептур в промышленных условиях проводилась в ООО «Элитстрой». Экономический годовой эффект от внедрения в промышленное производство полученных результатов работы 359 руб. на 1м3 растворной смеси.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
- Обоснована возможность получения строительных растворов для штукатурных работ с улучшенными технологическими и физико-механическими свойствами на основе использования техногенного сырья и некондиционных мелких песков.
- Установлена зависимость технологических свойств строительного штукатурного раствора и показателя его адгезии к основанию от соотношения в заполнителе мелкого песка и отсевов дробления бетонного лома. Наиболее рациональным является расход 30% некондиционного мелкого песка и 70% отсевов.
- Выявлено зависимость продолжительности помола от значений удельной поверхности и количества вводимой золошлаковой смеси. Доказано, что оптимальным является помол золошлаковой смеси до удельной поверхности 700 м2/кг в течение 5 минут при использовании золошлаковой смеси в количестве 25 % от массы цемента, способствующее улучшению показателей качества раствора.
- Выявлено влияние добавки золошлаковой смеси на основные свойства штукатурного раствора.
- Разработана комплексная модифицирующая добавка, состоящая из золошлаковой смеси (97,0 -99,5 %) и суперпластификатора С-3 (0,5-3 %).
- Установлена зависимость показателей расслаиваемости, жизнеспособности, водоудерживающей способности, прочности и адгезионной способности от количества введенной комплексной модифицирующей добавки.
- Разработаны составы штукатурных растворных смесей на обогащенных мелких песках с улучшенными технологическими характеристиками: жизнеспособностью (5,5-6,0 час), водоудерживающей способностью (98,0 %), расслаиваемостью (5,7 %), подвижностью (11,9 см) и улучшенными физико-механическими свойствами (прочность на сжатие 14,5-15,3 МПа, адгезия 0,54-0,69 МПа).
- С помощью методов РФА, ДТА и электронной микроскопии установлено, что введение комплексной модифицированной добавки способствует гидратации С3S с возникновением значительного количества новообразований до 80 %.
- Дана технико-экономическая оценка эффективности использования штукатурных растворных смесей на обогащенных мелких песках с комплексной модифицирующей добавкой. Результатами промышленной апробации подтверждена достоверность полученных результатов, позволяющая прогнозировать получение экономического эффекта от их внедрения в размере 359 руб. на 1м3 раствора.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
I) статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:
- Успанова А.С. Использование золошлаковых отходов ТЭЦ г. Грозного для получения строительных композитов /Ш.Ш. Заурбеков, С-А.Ю. Муртазаев, А.С. Успанова, М.С. Сайдумов //Экология и промышленность России.– 2011.– Январь. – С.26-28. (0,28 п.л. (авт. -0,08 п.л.));
- Успанова А.С. Применение местных песков и техногенных отходов в строительных растворах/ С-А.Ю. Муртазаев, Н.В. Чернышева, А.С. Успанова, Б.Т. Муртазаев // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки.- Махачкала. - 2011. – Февраль. - №3. - Том 22. - С.141-148 (0,47 п.л. (авт.-0,2 п.л.));
- Успанова А.С. Строительные растворы на вторичном сырье и мелких местных песках и оценка экономической эффективности их применения / С-А.Ю. Муртазаев, Т.В. Куладжи, А.С. Успанова, М.С. Сайдумов // Экономические науки. - 2012. – №2 (87). С.224-229 (0,35 п.л. (авт.-0,2 п.л.));
II) статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях:
- Успанова А.С. Использование отсевов дробления бетонного лома для получения цементных композитов / С-А.Ю. Муртазаев, М.С. Сайдумов, С.А. Алиев, А.С. Успанова // Горное, нефтяное, геологическое и геоэкологическое образование в ХХI веке: материалы V Международной конференции. – М: РУДН, 2010.–С.207-209. (0,14 п.л. (авт. -0,04 п.л.));
- Успанова А.С. Влияния мелких кварцевых песков на свойства бетонных смесей и бетонов / С-А.Ю. Муртазаев, З. Х. Исмаилова, С.А. Алиев, А.С. Успанова //Тезисы докладов межрегионального пагуошского симпозиума «Наука и высшая школа Чеченской Республики: перспективы развития межрегионального и международного научно-технического сотрудничества. – Грозный.-2010.-С.170-172.(0,12 п.л. (авт.-0,06 п.л.));
- Успанова А.С. Проектирование составов строительных растворов на золошлаковых наполнителях / Муртазаев С-А.Ю., Исмаилова З.Х., Успанова А.С. // Материалы международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в производстве, науке и образовании» – Грозный: ГГНИ, 2010.-С.284-289. (0,28 п.л. (авт. – 0,1 п.л.));
- Успанова А.С. Строительные растворы на основе техногенного сырья / Муртазаев С-А.Ю., Успанова А.С. Сальмурзаева Б.А., Хасиев А.А., // Наука и образование в Чеченской Республике: состояние и перспективы: материалы всероссийской научно-практической конференции, посвященной 10-тилетию со дня образования КНИИ РАН. – Грозный: КНИИ РАН, 2011.-С.184-187 (0,25 п.л.(авт.-0,12 п.л.));
- Успанова А.С. Исследование мелких заполнителей для получения бетонов и растворов / Успанова А.С., Муртазаев С-А.Ю. // Науки XXI века: Проблемы академической мобильности исследователя и методологии исследования: материалы I Международной научно-практической конференции «Энергетика и энергоэффективность в условиях геостратегического развития и освоения Арктического региона», 21-22 апреля 2011 г. Архангельск: - ИПЦ САФУ, - 2012. - С. 233 – 235 (0,28 п.л. (авт.-0,1 п.л.)).
