Сульфатостойкие бетоны на основе безобжиговых вяжущих для дорожного строительства
УДК 666.974.6:666.972.16 На правах рукописи
МОМЫШЕВ ТАЛГАТ АМАНГЕЛЬДИЕВИЧ
Сульфатостойкие бетоны на основе безобжиговых вяжущих для дорожного строительства
05.23.05 – Строительные материалы и изделия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Республика Казахстан
Шымкент, 2010
Работа выполнена в Южно-Казахстанском государственном университете им. М. Ауезова.
Научный руководитель: доктор технических наук
Б.К.Сарсенбаев
Официальные оппоненты: доктор технических наук
Суранкулов Ш.Ж.
кандидат технических наук
Каршыга Г.О.
Ведущая организация: ТОО «НИИСтромпроект»
г.Алматы
Защита состоится «30» октября 2010 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д14.23.02 в Южно-Казахстанском государственном университете им. М. Ауезова по адресу: 160012, г. Шымкент, пр. Тауке-хана 5, главный корпус, ауд.342.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Казахстанском государственном университете им. М. Ауезова по адресу: 160012, г. Шымкент, пр. Тауке-хана 5, главный корпус, ауд.215.
Автореферат разослан «29» сентября 2010г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук А.А. Анарбаев
ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы. Рациональное использование минеральных ресурсов является актуальной проблемой для Республики Казахстан, которая может быть решена при эффективном применении техногенных продуктов в промышленности строительных материалов. Это способствует созданию безотходных технологий переработки минерального сырья, снижению себестоимости, как основной продукции промышленности, так и производства строительных материалов, а также охране окружающей среды.
В Казахстане на базе богатейшего месторождения фосфоритов Каратауского бассейна созданы в СНГ предприятия фосфорной промышленности. Ежегодный выход шлаков на этих предприятиях в 1980-85-х годах достигал 4,0...4,5 млн.т, что привело к накоплению шлаковых отвалов, занимающих огромные территории и негативно действующих на экологию региона.
Мировой опыт показывает, что одним из экономически и экологически целесообразных направлений утилизации промышленных отходов является использование их для получения различных строительных материалов, в том числе и дорожно-строительных.
Использование техногенных продуктов производства приведет к снижению себестоимости материалов, экономии электроэнергии и способствует решению «Государственной программы жилищного строительства» и «Программы развития промышленности строительных материалов, изделий и конструкций до 2014 года», «Программы развития автодорожной отрасли Республики Казахстан на 2006-2012 годы».
Актуальность проблемы. В середине 80-х годов прошлого века использование безобжиговых вяжущих для производства бетонных и железобетонных изделий и конструкций развивалось нарастающими темпами. Промышленный опыт показал, что производство изделий на основе безобжиговых вяжущих отличается технологичностью и может быть осуществлено на серийном оборудовании.
Доступность сырья для юга Казахстана, малая топливо-энергоемкость, простота изготовления, низкая стоимость, относительно высокая активность и долговечность получаемых изделий обеспечивают безобжиговому вяжущему большую перспективу. Очевидно, что при стабильной работе промышленности, производство безобжиговых вяжущих и изделий на их основе будет одним из наиболее эффективных в стройиндустрии. По этим вяжущим и изделиям накоплены уникальные данные, которые аккумулированы в 70-90 годы прошлого столетия в трудах ученых силикатчиков и строителей, имеют непреходящую научную и практическую ценность и представляются весьма актуальными.
Замена применяющегося в строительстве обычного цемента на более дешевые, но не уступающие по своим качествам вяжущие, всегда была актуальной проблемой. С середины прошлого века работы по производству безобжиговых вяжущих из металлургических и фосфорных шлаков велись в различных научно-исследовательских институтах. В результате этих работ выяснилось, что гранулированные электротермофосфорные шлаки обладают вяжущими свойствами, но прочность изделий на их основе не высокая, которые не могли заменить обычный цемент в строительстве. Необходимо было разработать технологию производства и подбор состава вяжущих, которые позволили бы использовать электротермофосфорные шлаки в качестве основы для производства безобжиговых вяжущих.
Работа выполнена в соответствии с координационными планами НАН РК по комплексному использованию минерального сырья, планами научно-исследовательских работ ЮКГУ им. М. Ауезова и ТОО «Внедренческий центр научно - исследовательских разработок ЮКГУ – технологический инкубатор», посвященных переработке техногенных продуктов промышленности в силикатные и строительные материалы.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка технологий безобжиговых вяжущих и бетонов на основе фосфорных шлаков, комплексных добавок и сульфокарбоната натрия, обладающих высокой прочностью и долговечностью для дорожного строительства.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
- оптимизация составов безобжиговых вяжущих на основе электротермофосфорных шлаков и щелочесодержащих отходов промышленности;
– получение бетонов на основе безобжиговых вяжущих (ББВ) с однородной структурой на основе электротермофосфорных шлаков, сульфокарбоната натрия (СКН) и гравийно-песчаной смеси;
– изучение механизма гидратации и твердения безобжиговых вяжущих и бетонов (БОВиБ);
– изучение основных физико-механических и эксплуатационных свойств бетонов на основе безобжиговых вяжущих для дорожного строительства;
– разработка технологий производства БОВиБ для дорожного строительства.
Научная новизна работы:
- установлена возможность создания на основе электротермофосфорных шлаков и щелочесодержащих отходов промышленности БОВиБ однородной структуры, обладающей прочностью и морозостойкостью;
- методами математического планирования эксперимента установлено оптимальное количество модифицирующих добавок и технологические параметры пропаривания, обеспечивающих заданную структуру бетона;
- установлена зависимость процесса формирования структуры твердеющего ББВ от степени завершенности процесса гидратации безобжигового цементного камня;
- изучены кинетика набора прочности и долговечность ББВ на основе электротермофосфорных шлаков, щелочесодержащих отходов с использованием гравийно-песчаной смеси;
- разработана технология производства ББВ на основе электротермофосфорных шлаков для укрепления основания дорог.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- возможность получения БОВиБ на основе электротермофосфорных шлаков и щелочесодержащих отходов промышленности с использованием гравийно-песчаной смеси для дорожного строительства;
- оптимизация составов БОВиБ введением модифицирующих комплексных добавок;
- результаты исследования эксплуатационных характеристик и составов продуктов гидратации цементного камня БОВиБ на основе электротермофосфорных шлаков и щелочесодержащих отходов промышленности;
- возможность применения бетона на основе безобжигового вяжущего разработанного состава из электротермофосфорных шлаков и СКН в дорожном строительстве;
- технология производства и экономическая эффективность безобжиговых вяжущих и бетонов на основе электротермофосфорных шлаков;
Практическая ценность и реализация работы. Расширена область применения безобжиговых вяжущих и бетонов на основе электротермофосфорных шлаков и щелочесодержащих отходов промышленности.
Разработаны составы безобжиговых вяжущих и бетонов на основе электротермофосфорных шлаков и СКН для дорожного строительства.
Разработаны принципы получения бетонов на основе безобжиговых вяжущих для дорожного строительства, характеризующихся высокой прочностью и долговечностью.
Результаты проведенных исследований использованы при разработке технологического регламента и стандарта организации на производство бетонов на основе безобжиговых вяжущих из электротермофосфорных шлаков для дорожного строительства.
Утилизация электротермофосфорных шлаков и щелочесодержащих отходов промышленности обеспечивает экологическую безопасность окружающей среды и рациональное использование техногенных продуктов промышленности в строительстве.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены:
– результатами дериватографического, рентгеноструктурного и ИК - спектроскопического методов анализа, а также результатами физико-механических испытаний;
– сходимостью лабораторных и опытно-промышленных результатов, а также технологических параметров изготовления строительных материалов для дорожного строительства;
– воспроизводимыми результатами обработки данных с применением аппарата математической статистики.
Личный вклад заключается в:
– постановке основных задач исследования, формировании цели, направлений и способов их решения, формулировке и обосновании научных положений;
– разработке и оптимизации составов безобжиговых вяжущих на гранулированном электротермофосфорном шлаке и щелочесодержащем отходе промышленности;
– разработке и оптимизации составов, технологии производства шлакощелочного бетона на основе гранулированного электротермофосфорного шлака, щелочесодержащего отхода промышленности и гравийно-песчаной смеси;
– внедрении полученных научно-практических результатов в производство и экономической эффективностью разработанных технологий.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на международных научно-практических конференциях: Международной научно-практической конференции «Ауезовкие чтения-8: научные достижения – основа культурного и экономического развития цивилизации» (г.Шымкент, 2009г.); 9-ой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. С-Петербург, 2010 г.); Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (г.Пенза, 2010г.);
Публикации работы. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в которых изложено основное содержание диссертации: в том числе 5 в трудах международных научно-практических и научно-технических конференциях, 4 в изданиях, рекомендованных комитетом по контролю в сфере образование и науки МОН РК и 2 учебных пособиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, выводов и приложений, изложена на 153 страницах, содержит 32 таблиц, 29 рисунков и список использованных источников из 208 наименований.
ОСНОВНая часть
Во введении дана оценка современного состояния вопроса разработки энергосберегающей технологии получения дорожных изделий из БОВиБ, основные исходные данные для разработки темы. Обоснованы актуальность и новизна темы, результаты и положения, выносимые на защиту.
В первой главе обсуждены литературные данные по получению шлакощелочных и солешлаковых вяжущих, а также их физико-механические и эксплуатационные свойства.
Создание шлакощелочных вяжущих В.Д. Глуховским является одним из оригинальных научных открытий ХХ века. Им были заложены основы теории твердения этих вяжущих, которые нашли свое развитие в исследованиях П.В. Кривенко, установившим основные принципы физико-химических процессов структурообразования в шлакощелочных вяжущих с регулируемыми свойствами.
Дальнейшее развитие этого направления нашло свое отражение в работах И.А. Пашкова, Ж.В. Скурчинской, Г.С. Ростовской, Г.В. Румыны, В.В. Чирковой, Е.К. Пушкаревой, И.К. Касымова, А.А. Тулаганова, А.Г. Алиева, А.А. Азимова, А.А. Султанова, З.А. Естемесова, С.Т. Сулейменова, С.С. Сейтжанова, Б.К. Сарсенбаева, К.К. Куатбаева и др.
Результаты этих исследований послужили основой для детального изучения физико-механических и специальных свойств материалов и изделий на основе безобжиговых вяжущих, включающих кондиционные щелочные компоненты ( соду, поташ, дисиликат и метасиликат натрия, содощелочной плав), а также способствовали установлению рациональных областей применения бетонов на основе безобжиговых вяжущих в строительстве.
В настоящее время нет достаточного опыта применения отходов, содержащих, наряду со щелочами, соединения сульфитов и сульфатов натрия, для получения безобжиговых вяжущих и бетонов на их основе.
Теоретические предпосылки позволили выдвинуть рабочую гипотезу о наличии в природе щелочных гидроалюмосиликатов, включающих 
и 
-ионы, позволяющую предположить возможность создания безобжиговых вяжущих и бетонов, в составе продуктов гидратации которых, при соблюдении определенных технологических параметров (режимов тепловлажностной обработки, введением комплексных добавок и т.п.), могут быть синтезированы подобные минералы, что будет способствовать улучшению структуры бетона, повышению прочности, долговечности и эстетических свойств бетона, применяемого для дорожного строительства.
В соответствии с выдвинутой гипотезой в работе поставлены задачи:
1. Доказать возможность получения бетона на основе безобжигового вяжущего однородной структуры из электротермофосфорного шлака и щелочного компонента, содержащего ионы 
и 
.
2. Выяснить особенности продуктов гидратации и твердения безобжигового вяжущего на основе фосфорного шлака и комплексных добавок.
3. Определить пути оптимизации свойств бетона.
4. Исследовать кинетику набора прочности и поровой структуры бетона на основе безобжигового вяжущего.
5. Разработать технологический регламент на производство бетонов для дорожного строительства.
6. Осуществить опытно – промышленное испытание безобжиговых вяжущих и бетонов на основе фосфорных шлаков и сульфокарбоната натрия в дорожном строительстве
В второй главе приведены основные характеристики применяемых сырьевых материалов и методика исследований.
В третьей главе приведены результаты исследования определения активности безобжиговых вяжущих на основе электротермофосфорных шлаков с добавкой сталеплавильного шлака.
В работе изучалась возможность активизации электротермофосфорных шлаков с добавкой сталеплавильного шлака с малыми количествами NaOH (0,5-4%) в нормальных условиях. Параллельно для сравнений были проведены испытания вяжущих при пропаривании. Прочность пропаренных образцов находилась в пределах 50-86 МПа при содержании шелочи 1-4%. В присутствии 0,5% щелочи прочность была ниже (25-62 МПа). Образцы вяжущих, выполненных из теста, нормального твердение в 28- суточном возрасте при содержании NaOH 0,5; 1,0; 2 и 4% имели соответственно прочность 31-33, 53-60, 55-57 и 60-65 МПа, в 7 – суточном возрасте при тех же количествах активизатора она была равна 3-4; 5-5,5; 9-11 и 13-15 МПа.
А также приведены результаты определения активности вяжущих в образцах из теста при различном содержании активизаторов в системе «шлак – NaOH – соли щелочных металлов», полученных при тепловлажностной обработке при 950 по режиму 4+1,5+2+1,5+4+3 ч и в нормальных условиях через 3, 7 и 28 сут.
Установлено, что в щелочной среде сульфат натрия резко повышает активность вяжущих в условиях пропаривания. Влияние совместного присутствия щелочи и соли особенно заметно в присутствии малых количеств NaOH. Например, добавка 0,25% щелочи и 1-2% соли привела к повышению прочности образцов до 70-81 МПа. При 4% Na2SO4 прочность образцов снизилась по сравнению с вяжущими с меньшим содержанием соли. Вяжущие с добавкой 0,5% NaOH имели прочность 78 МПа, при 0,5% соли 93 МПа, при 2% соли. При 1%-ном содержании щелочи и при тех же количествах солевого компонента прочность составила 67-75 МПа, при 2% NaOH – 81-90 МПа, а большее количество соли в смеси (4%) снижает прочность образцов.
Установлено, что сульфит натрия значительно более эффективен по сравнению с сульфатом при твердении вяжущих в нормальных условиях. В присутствии 2-4% Na2SO3 прочность через 7 сут. соответственно составляла 1,5 и 5,9 МПа, через 28 сут.- 7,5 и 10 МПа.
Комплексная добавка, состоящая из едкого натра и рассматриваемой соли, ускоряет процесс твердения в нормальных условиях. Предел прочности при сжатии в 7-суточном возрасте в зависимости от количества активизаторов находится в интервале 48-70МПа, что составляет 50-100% от прочности вяжущих, хранившихся в течение 28 сут. Влияние добавки на прочность в начальный период (3 сут) незначительное.
Изучена возможность активизации безобжиговых вяжущих в нормальных и тепловлажностных условиях добавками малых количеств едкого натрия и соды при различном их соотношении. Дополнительная добавка 0,25-1% щелочи не изменила прочность вяжущих. В присутствии 2% NaOH и 2-4% соды она повысилась до 80-85 МПа. При одинаковом суммарном содержании активизаторов вяжущие мало отличаются по прочности, несмотря на различное количество соотношений между NaOH и Na2СO3.
В нормальных условиях рассматриваемая композиция в 2-3 раза увеличивает скорость набора прочности в начальный период. Через 3 сут. величина Rсж при различных количествах добавок находилась в пределах 27-41 МПа, в то время как в присутствии только одной соды (2-4%) прочность составляла 11-17МПа. При постоянном содержании щелочи прочность растет с увеличением количества соли. В 7-суточном возрасте положительное влияние щелочи наблюдается при малых количествах соды и в целом прочностные показатели существенно не отличаются от таковых для вяжущего, активизированного содой. Прочность вяжущих в этом случае изменяется от 39 до 66 МПа, что составляет 60-90% от прочности в 28 - суточном возрасте.
Изучено влияние комплексной добавки смеси портландцементного клинкера (3%) и сталеплавильного шлака (4-7%) с солями щелочных металлов, анионы которых образуют с кальцием малорастворимые соединения. Прочностные показатели вяжущих при содержании 1-4% комплексной добавки и Na2SO4 после пропаривания колеблются в пределах 41-88 МПа, а прочность образцов в 3-х суточном возрасте находилась в пределах 14-25,5 МПа, 7- суточном – 32-45 МПа. Следует отметить, что образцы вяжущих данного состава при содержании каждого активизатора 4% и более имели высолы после твердения в нормальных условиях. Более эффективной по своему действию на электротермофосфорный шлак оказалась композиция: комплексная добавка с содой. В этом случае добавка тех же количеств активизаторов позволила получить быстротвердеющее вяжущее с прочностью 22-50, 41-83 и 51-82 МПа через 3, 7 и 28 суток соответственно.
В четвертой главе изучалась возможность использования промышленных отходов (сульфокарбонат натрия), для активизации безобжиговых вяжущих на основе электротермофосфорных шлаков с различными добавками в нормальных условиях и при пропаривании.
В работе в качестве соактивизатора вместе с сульфокарбонатом натрия применялись комплексные добавки к шлаку, состоящие из смеси портландцементного клинкера (ПЦК) (3%) и сталеплавильного шлака (СПШ) (7-10%). Принцип его действия аналогичен предыдущим композиционным добавкам: синтез едкого натра за счет взаимодействия солей с гидратной известью, образующейся в данном случае при инконгурентном растворении 3CaOSiO2 в воде. В присутствии соактивизаторов – источников гидроксил – ионов и ионов кальция – сульфат натрия также вносит свой вклад в повышение активности вяжущих и стабильности их свойств. В присутствии соды и сульфата натрия, связывающих ионы кальция, ускоряется процесс трансформации 3CaOSiO2 в гидросиликат кальция и Ca(OH)2.
В связи с тем, что в системе, содержащей шлак и небольшую добавку цемента, присутствует лишь небольшая примесь 3СaOAl2O3, а количество CaSO4, образующегося в вяжущем невелико, то можно не опасаться влияния эттрингита на эксплуатационные свойства этих вяжущих.
Прочность вяжущих, состоящих из шлака и комплексных добавок (3+7%) (ПЦК+СПШ) и 2-6% сульфокарбоната натрия, составляет 67-79 МПа (70-900). Вяжущие на шлаке НДФЗ имели несколько меньшую прочность (60-63 МПа). Образцы после пропаривания при 700С обладали высокой прочностью при изгибе (до 12,3 МПа).
Увеличение количества комплексной добавки до 3+7% (ПЦК +СПШ) не улучшает прочность вяжущих. При 3+10%-ном ее содержании отмечено снижение прочности до 34-60 МПа.
Также проводилось определение нормальной густоты и сроков схватывания, глубины погружения пестика в тесто вяжущих с различным содержанием активизаторов и различным растворошлаковым отношением (Р/Ш).
В присутствии сульфита натрия глубина погружения пестика линейно увеличивается с ростом Р/Ш от 22 мм при Р/Ш=0,22 до 35 мм при Р/Ш=0,30. Нерасслаивающееся тесто получают при Р/Ш=0,22-0,24. Погружение пестика на глубину 33-36 мм также отмечено для расслаивающегося теста (Р/Ш=0,28-30). В этом случае пестик погружается на 3-35 мм в области Р/Ш – отношений 0,22-0,28. В тесто с добавкой соды при Р/Ш=0,22-0,26 пестик погружается на глубину 3-7 мм. При более высоком водосодержании на кривой отмечен резкий подъем глубины погружения пестика. Аналогичный вид кривых зависимости глубины погружения пестика от растворошлакового отношения отмечен для вяжущего с комплексной добавкой и 4% сульфокарбоната натрия. В области Р/Ш=0,22-0,26 пестик практически не входит в тесто данного состава.
Для смесей с добавкой Na2SO4 и сульфокарбоната натрия отмечаются линейный рост глубины погружения пестика с увеличением растворошлакового отношения от 0,22 до 0,26, после чего величина глубины погружения пестика существенно не изменяется.
Рассматривая результаты определения сроков схватывания, можно отметить их сложную зависимость от состава смесей. При постоянном содержании NaОН (1%) и соли (4%) время начала схватывания наиболее длительное в присутствии сульфита и сульфата натрия и сульфокарбоната натрия. Оно увеличивается с ростом растворошлакового отношения. В присутствии этих солей даже при низком растворошлаковом отношении начало схватывания наступает не ранее 2ч 15 мин.
Установлено, что по действию на продолжительность начала и конца схватывания теста с постоянным водосодержанием (Р/Ш=0,22-0,24) соли могут быть расположены в ряд: сульфокарбонат натрия >Na2SO3 > Na2SO4 > Na2CO3.
Начало и конец схватывания теста с содержанием (3+4)-(3+7)% комплексной добавки (портландцементного клинкера (3%) и сталеплавильного шлака (4-7%)) проходит через максимум при изменении Na2SO4 от 0,5 до 4%. Максимум, отмечающийся при 1-2% соли, находится в пределах 70-95 мин и 3,5-4 ч соответственно.
Состав продуктов гидратации вяжущего на электротермофосфорном шлаке и СКН+ NaОН представлен низкоосновными гидросиликатами кальция. Введение в состав вяжущего модифицирующих комплексных добавок приводит к усложнению фазового состава продуктов гидратации: портландцементный клинкер способствует образованию тоберморита, трускотита С6 S10 H3, с добавкой сталеплавильного шлака венкита Са6 Аl1-5 (SO4 SiO3 CO3)(OH)1-5 15 H2 O, назеана Na8(AlSiO4)6·SO4H2O, тоберморита С5S6Н5.
В пятой главе совместное влияние комплексной добавки сталеплавильного шлака и портландцементного клинкера, температуры и длительности изотермического прогрева на прочность и морозостойкость бетона на основе безобжигового вяжущего определяли с помощью методов математического планирования трехфакторного эксперимента типа план Бокса на кубе. Обработка результатов экспериментов выполнены по общепринятой методике.
При уточнении оптимальных количеств добавок уравнения регрессии имеют вид:
УRсж = 50,8- 5х2 + 4,2х2 – 1,7х22 + 3,3х3 – 1,7х23 – 3,4х1х2-2,5х1x3-1,7х2x3 (1)
УF = 240-1,25х1 – 54,2х21 – 16,7х2 – 6,7х3 + 4,2х23- 6,7x1x2 - 15х2х3 (2)
где УRсж - предел прочности при сжатии, МПа;
УF - количество циклов попеременного замораживания и оттаивания.
Выполнен анализ квазиоднофакторных и двухфакторных уравнений регрессии для прочности и морозостойкости применительно к конкретным технологическим ситуациям. Решая двухфакторные уравнения регрессии для прочности и морозостойкости, получили области изменения технологических параметров, обеспечивающие заданные свойства бетона.
Исследование во времени прочностных характеристик бетонов на основе безобжиговых вяжущих с комплексной добавкой (ПЦК+СПШ) активизированные СКН+ NaОН, подвергнутых ТВО по режиму 4+1,5+2+1,5+4+3 ч, свидетельствует о том, что в процессе длительного хранения прочность пропаренных образцов, не зависимо от условий хранения, повышается (рисунок 1)
Прочностные характеристики бетона, хранившегося после ТВО в течение двух лет в воде, превышают прочностные характеристики образцов, твердеющих нормальных условиях.
Изучен характер поровой структуры безобжигового цементного камня разработанных составов. Капиллярная пористость исследуемых вяжущих после ТВО и 28 суток хранения в нормальных условиях равна 1,39%, причем в составе пор преобладают поры минимального размера (56,9%).
Введение комплексных добавок приводит к изменению величины и характера поровой структуры безобжигового цементного камня.
Так, введение портландцементного клинкера приводит к уменьшению капиллярной пористости, составившей 1,43%, а также к уменьшению среднего размера пор = 5,8. Вместе с тем, данный состав характеризуется несколько большим содержанием пор среднего размера (ГРАД4...6 =22,5%) за счет уменьшения количества пор минимального размера.
1 - без добавок; ТВО - 4+1,5+2+1,5+4+3, Rсж после ТВО – 51,7 МПа; 2 - портландцементный клинкер - 5%, ТВО - 4+3+6+3, Rсж после ТВО – 55,4 МПа; 3 - 3% - портландцементный клинкер + 7% сталеплавильный шлак, ТВО -4+3+6+3, Rсж после ТВО – 57,2 МПа;
Рисунок 1 - Кинетика набора прочности во времени бетонов на основеэлектротермофосфорных шлаков и СКН+NаОН ( = 1500 кг/м3) с комплексными добавками
Введение комплексной добавки портландцементного клинкера и сталеплавильного шлака приводит к более значительному уменьшению капиллярной пористости (Um = 0,87%) и среднего размера пор ( =4,4). Образцы данного состава характеризуются наибольшим содержанием пор минимального размера (ГРАД1...9=89,0%), что, наряду с минимальными значениями Um и, свидетельствует о наиболее плотной структуре камня на безобжиговом вяжущем данного состава.
Установлено, что в воде бетоны на основе безобжиговых вяжущих не теряют прочность, а наоборот, она все время возрастает. Выявлено, что прочность бетонов на основе безобжиговых вяжущих после 48 мес. твердения в воде увеличивается на 37…39% от первоначальной прочности, а бетонов М400 – на 24…28%. Из сказанного следует, что низкомарочный бетон прочность в воде повышает в большей степени, нежели высокомарочный.
В сульфатных растворах изменение прочности бетонов на основе безобжиговых вяжущих происходит следующим образом:
- после хранения образцов в сульфатных растворах в течение 12 мес. прочность их снижается по сравнению с первоначальной прочностью на 12…20%, причем раствор 2,5% MgSO4 действует более агрессивно, чем 5% Na2SO4;
- при дальнейшем хранении образцов в течение 24 мес. их прочность несколько возрастает, однако она меньше первоначальной;
через 48 мес. хранения прочность образцов М200 выше первоначальной, а у бетонов М400- приравнивается к первоначальной.
В шестой главе приведено радиационно-гигиеническое исследование о возможности использования безобжиговых вяжущих и бетонов на их основе в дорожном строительстве (таблица 1).
По результатам исследования получено заключение, разрешающее использовать безобжиговые вяжущие и бетоны в разработанных составах без ограничения в любом виде строительства.
Разработана технология производства безобжиговых вяжущих в две стадии:
1)выполняется помол шлака
2)добавляется щёлочь, затем всё перемешивается.
Таблица 1 - Концентрация естественных радионуклидов в фосфорном шлаке (НДФЗ)
| № п/п | Наименование пробы | Удельная активность, Бк/кг | |||
| Rа-226 | Тh-232 | К-40 | Аэфф. | ||
| 1. | Вяжущее (молотый фосфорный шлак) | 183 | 16 | 116 | 215±27 |
| 2. | Вяжущее (молотый фосфорный шлак) | 182 | 15 | 116 | 214±27 |
| 3. | Вяжущее (молотый фосфорный шлак) | 183 | 16 | 115 | 215±27 |
| 4. | Тесто из вяжущего | 15 | 4 | 6 | 22±8 |
| 5. | Тесто из вяжущего | 13 | 4 | 5 | 21±8 |
| 6. | Тесто из вяжущего | 15 | 3 | 7 | 22±8 |
| 7. | Бетон из вяжущего | 33 | 16 | 287 | 80±14 |
| 8. | Бетон из вяжущего | 32 | 16 | 285 | 79±14 |
| 9. | Бетон из вяжущего | 34 | 15 | 287 | 80±14 |
Безобжиговые вяжущие при одностадийном производстве (рисунок 2), перед употреблением затворяется водой, как обычный портландцемент.
При изготовлении вяжущего в две стадии характеристики цемента могут различаться для каждой отдельно приготовленной партии, что связано с неоднородностью составов шлака и различными характеристиками щелочных компонентов.
При одностадийном производстве этот негатив исключается, т.к. характеристики сырьевых компонентов усредняются в процессе гомогенизации и, в результате, получается продукт с однородными характеристиками в каждой партии.
Разработана технология устройства основания дорог из бетонной смеси на основе безобжиговых вяжущих при одно- и двух стадийном приготовления вяжущих.
Результаты проведенных исследовании свидетельствует о том, что при оптимальном режиме ТВО и введении комплексных добавок, регулирующих структуру бетона, можно получать высоко эффективные изделии для дорожного строительства. Это положение подтверждено результатами опытно-промышленного внедрения на предприятиях РК.
1.Автосамосвал; 2.Бункер для шлака; 3.Питатель ящичный; 4.Конвейер ленточный; 5.Сушильный барабан; 6.Шнек винтовой; 7.Элеватор (ленточный цепной); 8.Виброгрохот; 9.Бункер для сухого шлака; 10.Дозатор ленточный; 11.Бункер для хим. добавок; 12.Бункер для щелочного компонента; 13.Бункер для цемента; 14.Шаровые мельницы; 15.Пневмовинтовой насос; 16.Компрессор; 17.Переключатель силосов; 18.Силос для вяжущего; 19.Цементовоз; 20.Струйный насос; 21.Расходный бункер; 22.Мешкозашивочная машина; 23.Весы; 24.Пакет мешков; 25.Поддоны деревянные.
Рисунок 2 - Технологическая схема производства безобжиговых вяжущих
Применение безобжигового вяжущего при укреплении оснований из гравийных смесей позволяет экономить портландцемент, являющийся дефицитным дорожно-строительным материалом.
Предполагаемый экономический эффект от применения безобжиговых вяжущих составит 1240250,4 тыс. тенге.
Экономический эффект на 1 км покрытия равен 930100 тенге.
Заключение
Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации, полученные лично автором при выполнении теоретических и экспериментальных исследований, заключаются в следующем:
1. Разработаны технологические приемы, позволяющие получать эффективные безобжиговые вяжущие и бетоны на основе электротермофосфорного (ЭТФ) шлака и сульфокарбоната натрия (СКН), обладающие высокой прочностью, морозостойкостью, что позволяет применять их в дорожном строительстве, в частности, для устройства основании дорог.
2. Одним из путей получения прочного и морозостойкого бетона на основе безобжигового вяжущего из ЭТФ шлака и СКН+ NаОН является медленный подьем температуры при ТВО, обеспечивающий наиболее полное взаимодействие щелочного компонента со шлаком. Методами математического планирования эксперимента уточнены необходимые параметры режимов ТВО в зависимости от количества комплексных добавок. При оптимальном режиме ТВО (4+1,5+2+1,5+4+3) с изотермической выдержкой t=95±5°С (плотность раствора СКН + NаОН 1100-1150 кг/м3) получен бетон с пределом прочности при сжатии 50,4-54,2 МПа и морозостойкостью 250 циклов.
3. Особенности химико-минералогического состава электротермо-фосфорных шлаков (отсутствие оксидов алюминия, наличие соединений фосфора и др.) и СКН (присутствие ионов SO
и SO
) определили возможность управления свойствами бетона за счет введения модифицирующих комплексных добавок полуфункционального действия.
Показано, что добавки позволяют использовать для обработки бетона режимы ТВО с резким подъемом температуры, а также применять бетон на СКН при нормальных условиях твердения. В качестве добавок использовали портландцементный клинкер (3%), сталеплавильный шлак (5,6…6,6%).
4. Фазовый состав новообразований, возникающих в процессе гидратации вяжущих на основе электротермофосфорного шлака и СКН+ NаОН, представлен низкоосновными гидросиликатами кальция.
Введение в состав вяжущего добавок полифункционального действия способствует углублению процессов гидратации в системе и усложнению состава новообразований за счет образования щелочных гидроалюмосиликатов, включающих ионы SO
и SO
( венкит, трускотит, назеан и др.), которые уплотняют и упрочняют сросток новообразований, чем обеспечивают повышение долговечности и улучшение свойств бетона.
5. Установлено, что режим ТВО и введение комплексных добавок оказывает влияние на формирование структуры бетона во времени. После ТВО с медленным подъемом температуры предел прочности при сжатии после хранения на воздухе в течение 2 лет составляет 53-60 МПа, а в воде 52-63 МПа, а с введением комплексных добавок составляет 56,5-74,3 МПа и 56,1-75,3 МПа соответственно.
6. Использование предлагаемых технологических приемов позволяет получить камень плотной структуры, которая характеризуется низкими показателями открытой пористости ( Um=0,78 -1,59 % ) и среднего размера пор ( =0,93-1,52 ), а также преобладанием пор минимального размера ( Град7…9= 66,8-89,0%).
7. Разработана технология производства БОВ и Б на основе отходов промышленности и технология устройства оснований дороги.
Разработан стандарт организации и технологический регламент на производство безобжиговых вяжущих и бетонов на их основе для дорожного строительстве.
Определен предполагаемый экономический эффект, который при выпуске 300 тыс. тн. БОВ составит 10284000 долларов или 1240250,4 тыс. тенге, предполагаемые прибыль – 10509000 дол. и срок окупаемости – 0,14 год. Экономический эффект на 1 км покрытия равен 930100 тенге.
Оценка полноты решения поставленных задач. В результате проведенных лабораторных исследований были решены следующие научные и практические задачи: разработаны оптимальные технологические параметры получения ББВ с использованием комплексной добавки; изучены физико-механические свойства и долговечность; процессы гидратации цементного камня; показана кинетика набора прочности во времени; разработана технология получения ББВ на основе отходов промышленности и местных некондиционных материалов.
Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Результаты работы и предлагаемая технология могут быть использованы для получения ББВ и изделии на их основе для дорожного строительства и стройиндустрии.
Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Технико-экономическая эффективность состоит в получении ББВ на основе отходов промышленности и местного некондиционного сырья, что определяет экономическую эффективность их производства.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Научная новизна диссертации, обзор литературы, а также научно-технические результаты свидетельствуют о соответствии выполненной работы современному уровню. Главным результатом в этом плане является получение ББВ с высокой прочностью и долговечностью на основе отходов промышленности и местного некондиционного материала.
Список опубликованных работ по теме диссертации
1. Сарсенбаев Б.К., Момышев Т.А., Степанов Д.В., Аубакирова Т.С., Мырзакулова Т.А. Сравнительная эффективность действия различных солей в вяжущей системе «Электротермофосфорный шлак – гидрооксид натрия - сульфокарбонат натрия». // Метрология.- Астана, №4,2008г., -С.3-4.
2. Сарсенбаев Б.К., Момышев Т.А., Степанов Д.В., Сарсенбаев Н.Б. Физико-химические исследования процессов гидратации вяжущих композиций на основе электротермофосфорного шлака. // Метрология.- Астана, №4,2008г., -С.5-7.
3. Ниязбекова Р.К., Момышев Т.А., Ермаханова Ф.Р. Разработка элементов ИСМ при добыче, переработке нефти. // Пособие для практических занятий: Евразийский национальный университет им.Л.Н.Гумилева.- Астана, 2008г., - 50 с.
4. Момышев Т.А., Сарсенбаев Б.К., Степанов Д.В., Абдираманова К.Ш., Сарсенбаев Н.Б. Технология устройства основа-ния дороги из шлакощелочной бетонной смеси. // Труды Междун. науч.-практ. конф. «Ауезовские чтения-8: научные достижения - основа культурного и экономического развития цивилизации».- Шымкент, - Т10, 2009г., - С.117-119.
5. Сарсенбаев Б.К., Момышев Т.А., Степанов Д.В., Абдираманова К.Ш., Мырзакулова Т.А. Шлакошелочные вяжущие на основе фосфорных шлаков и щелочесодержащих отходов с комплексными добавками. // Труды Междун. науч.-практ. конф. «Ауезовские чтения-8: научные достижения – основа культурного и экономического развития цивилизации».- Шымкент, - Т10, 2009г., - С.132-134.
6. Ниязбекова Р.К., Момышев Т.А., Ахмедьяров А.У., Садыханов К.Б. Теоретические и практические исследования формирования качества продукции стройиндустрии. // Учебное пособие для практических занятий: Издательство «Полиграфия».- Астана, 2009г., - 55 с.
7. Ниязбекова Р.К., Момышев Т.А. Развитие системы управления окружающей средой как составной части управления производством в Республике Казахстан. // Труды 9-ой Междун. науч.-практ. конф.: "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности".-. С-Петер- бург, 2010 г. - С.271-273.
8. Бишимбаев У.К., Момышев Т.А. Производственный контроль при обращении с отходами. // Труды 9-ой Междун. науч.-практ. конф.: "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности".- С-Петербург, 2010 г. - С.186-188.
9. Сарсенбаев Б.К., Момышев Т.А., Мырзакулова Т.А., Аубакирова Т.С. Активизация безобжиговых вяжущих щелочными компонентами. // Наука и образование Южного Казахстана. - Шымкент, - №1(80), 2010г, - С.68-70.
10. Момышев Т.А., Сарсенбаев Б.К., Сарсенбаев Н.Б., Аубакирова Т.С. Влияние комплексных модифицирующих добавок на прочность безобжиговых вяжущих. // Наука и образование Южного Казахстана. - Шымкент, - №1(80), 2010г, - С.62-64.
11. Сарсенбаев Б.К., Момышев Т.А., Сарсенбаев Н.Б., Мырзакулова Т.А. Производство безобжиговых вяжущих на основе гранулированного электротермофосфорного шлака. // Междун. науч.-техни. Конф. «Композиционные строительные материалы. Теория и практика». - Пенза, 2010г - С.154-156.
ТЙІН
Момышев Талгат Амангелділы
«Жол рылысына арналан кйдірілмейтін ттыр негізіндегі сульфата тзімді бетондар»
05.23.05 – «рылыс материалдары жне бйымдары» мамандыы бойынша техника ылымдарыны кандидаты ылыми дрежесін іздену
Зерттеу нысанасы. Жол рылысына арналан кандиционды емес жергілікті толтырыштар жне модификациялаушы оспалары бар ндіріс алдытары негізінде кйдірілмейтін ттырларды ндіру технологиясын деу.
Жмысты масаты. Беріктік жне за мерзімділік крсеткіштері жоары, жол рылысына арналан натрий сульфокарбонаты жне комплексті оспалары бар фосфор ожылары негізінде алынан бетондар мен кйдірілмейтін ттырларды отайлы рамын деу.
Жмыс жргізу дістері. Жмыста зерттеуді кешенді дістері олданылан, олара ЭМА, физика-механикалы сынаулар, математикалы статистика жне жартылай ндірістік сына-зерттеу орытындылары кіреді.
Жмыс орытындылары. Модификациялаушы оспаларды олдана отырып, рамында сілті бар ндіріс алдытары мен фосфор ожыларынан алынан кйдірілмейтін ттырлар негізіндегі бетондарды рылымын басару ммкіндігі аныталды. рамында сульфатты компоненті бар кйдірілмейтін ттыр негізіндегі бетондарды алу жне асиеттерін реттеу ммкіндігі аныталды. Тжірибені математикалы діс кмегімен жоспарлау арылы портландцементті клинкер жне болат балыту ожысы осылан кйдірілмейтін ттырлар негізіндегі бетондарды рамын отайландыру жргізілді.
Модификациялаушы оспалары бар кйдірілмейтін ттырлар негізінднгі бетондарды физика-механикалы жне эксплуатациялы сипаттамалары мен рецептура-технологиялы факторлары арасындаы зара байланыстары крсетілді.
Фосфор, болат балыту ожылары жне рамында сілті бар ндіріс алдытарын жетке жарата отырып, оршаан ортаны экологиялы ауіпсіздігін амтамасыз ету жне ндірісті техногенді алдытарын рылыс материалдарын ндіруде тиімді пайдалану жолдары сынылан.
Негізгі конструктивті технологиялы жне технико-эксплуатациялы сипаттамалары. оспалар мен болат балыту ожыларын санды жне сапалы жолмен реттей отырып, тйіршіктелген фосфор ожылары негізінде, ысу кезіндегі беріктік шегі 50,4-54,2 МПа жне аяза тзімділігі 250 циклды райтын бетондар алынды.
Кйдірілмейтін ттырлар негізінде алынан бетондарды бастапы беріктікке араанда, уаыт те, зіні беріктігін 1,1...1,5 есе арттыратындыы аныталды.
Жол рылысына арналан кйдірілмейтін ттырлар негізіндегі бетондарды алуды технологиялы параметрлері аныталды. Жылуылалды деуді отайлы режимдері (4+1,5+2+1,5+4+3) тадалып, изотермиялы стап тру t=95±5С температурада жргізілетіні аныталды.
Модификациялаушы оспаларды олдана отырып, ЖЫ кезінде температураны бірден крт ктеретін режимдерді пайдалануа, сонымен атар алыпты жадайда ататын НСК негізіндегі бетондарды алу ммкіндігі крсетілді. осылатын оспаларды отайлы млшері ретінде портландцементті клинкер (3%); болат балыту ожысы (5,6-6,6%).
Модификациялаушы оспалар осылан материалдарды за мерзімділігі мен физико-механикалы сипаттамалары зерттеле отырып, 2 жыл ауада саталан бетондарды беріктігі 53-60 МПа, суда саталаны 52-63 МПа жне комплексті оспалар осылан бетондарды беріктігі 56,5-74,3 МПа жне 56,1-75,3 МПа екендігі крсетілді.
ндіріске ендіру дрижесі. Жасалан технология бойынша фосфор ожысы мен модификациялаушы оспалары бар бетондарды жне кйдірілмейтін ттырларды тжірибелік-ндірістік партиясы шыарылды.
олдану аймаы. Фосфор ожылары мен модификациялаушы оспалардан алынан кйдірілмейтін ттырлар негізінде жасалан бйымдарды жол рылысында жне рылысты баса да трлерінде кеінен олдануа болады.
Жмысты экономикалы тиімділігі. Зерттеулерді нтижелері негізінде "имарат-Тараз" ЖШС жне "Бек РА" ЖШС кйдірілмейтін сілтілі ттыр негізінде бетон бйымдарыны тжірибелік - ндірістік партиясы шыарылды. Кйдірілмейтін сілтілі ттырды олданандаы болжамалы экономикалы тиімділік 1240250,4 мы тегені райды.
Зерттеу нысаныны келешекте дамуы. Кйдірілмейтін ттырлар негізіндегі бетондарды отайлы рамы мен ндірісті рационалды технологиясын жасау арылы, біріншіден, ымбат баалы шикізатты материалдар ресурстарын немдеуге, ал, екіншіден, ндіріс алдытарын жетке жарата отырып, экологиялы мселелерді жасартуа ке жол ашады.
SUMMARY
Talgat Momyshev
“Sulphatestable concretes on the base of non-calcining cementing for road construction”
05.23.05 – “Construction materials and manufactures” on competition the science degree of candidate the technical sciences by specialty
The object of investigation. The technological development of non-calcining cementing production on the base of industrial waste with the help of modifying additions and non-conditioned local fillers for road construction is the main object.
The purpose of the work. The development of optimal compositions of non-calcining cementing and concretes on the base of phosphorus slag with complex additions and sodium sulphocarbonate having high strength and long time period for road construction is the basic purpose of the work.
The mode of work investigation. The work has executed with modern complex ways of researches using including of physical-mechanical tests and methods of mathematical planning of an experiment.
The results of investigations. The possibility of management by concretes’ structure on the base of non-calcining cementing out of phosphorus slag as well as alkaline-containing industrial waste with modifying additions use was established. The possibility of obtaining and regulation the concretes’ properties was defined on the foundation of non-calcining cementing with sulphate-containing component. There is carried out optimization of concretes compositions on the base of non-calcining cementing with addition of Prtlandcement clinker and steel-melting slag with the help mathematical method of planning an experiment.
There are established quantitative dependences of basic properties of the concrete admit to optimize technological parameters of its obtaining, and also interconnection of technological factors with physical mechanical and exploitation properties of concretes on the base of non-calcining cementing with modifying additions is shown.
There is proposed the utilization of phosphorus, steel-melting slag as well alkaline-containing industrial waste providing by ecological environment safety and rational using of technical industrial products of the construction materials.
Basic constructional, technological and technical-exploitation characteristic. There are obtained concretes on the base of granulated phosphorus slag with strength limit at the pressing 50,4-54,2 MPa and freeze-stability 250 cycles by the way of qualitative and quantitative correction with additions as well steel-melting slag.
There is shown that obtained concretes on the base of non-calcining cementing by current of time increase their strength in 1,1…1,5 times by comparison with initial strength.
The technological parameters of concretes’ obtaining on the base of non-calcining cementing for manufactures of road construction are defined. It is established that optimal regime of thermal-humid treatment (THT) is (4+1.5+2+1.5+4+3) with isothermal extraction t=95
C with content of alkaline components in 4-6%.
It is shown that modifying additions allow using THT regime with high lifting of temperature, and obtaining the concrete at the normal hardening temperature. The optimal quantity of additions of the Portland cement clinker is 3% and steel-melting slag 5,6-6,6%.
There are studied fundamental physical-mechanical characteristics and long-time period of developed materials with modifying additions. There are shown the following main characteristics: after 2 years the strength of the concretes on air is 53-60 MPa, in water 52-63 MPa, and with entering complex additions 56,5-74,3 MPa and 56,1-75,3 MPa.
The degree and area of development. The test-industrial production of the non-calcining cementing and concretes, phosphorus slag with modifying additions according to developed technology of production was assimilated.
The area of use. The manufactures on the base of non-calcining cementing out of phosphorus slag with modifying additions by given complexes of properties may be widely apply at the road and a lot of other kinds of construction.
Economical efficiency. There were produced test –industrial line of concrete manufactures on the base of non-calcining alkaline cementing on foundation of obtained results of investigations based on CLR “Gimarat-Taraz” and “Bek RA”. The proposed economical efficiency from non-calcining alkaline cementing will compose 1240250,4 thous.tenge.
The perspective of investigation development. The realization of optimal compositions and rational technology of concrete obtaining on the base of non-calcining cementing with given complex properties as well learning its basic construction-technical properties is the perspective task. The realization of these tasks, the first, brings to economy the expensive raw materials and the second, to optimization ecological problems connected with industrial waste utile
Подписано в печать 27.09.2010г. Формат бумаги 60х84 1/16.
Бумага типографская. Печать офсетная. Объем 1 п.л.
Тираж 100 экз. Заказ 1834
Издательский центр ЮКГУ им.М.Ауезова, г.Шымкент
пр.Тауке хана, 5.
