Композиционные ангидритовые вяжущие и бетоны из фосфогипса
УДК 666.92:658.589(048.8) На правах рукописи
АБИШЕВ АДИЛЬ ТУРСУНОВИЧ
Композиционные ангидритовые вяжущие и бетоны из фосфогипса
05.23.05 – Строительные материалы и изделия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Республика Казахстан
Алматы, 2010
Работа выполнена в Таразском институте международного казахско-турецкого университета им. А. Ясауи
Научный руководитель: доктор технических наук,
профессор, академик Сулейменов Ж.Т.
Научный консультант: доктор технических наук,
профессор Сагындыков А.А.
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор Садуакасов М.С.
кандидат технических наук
Жакипбеков Ш.К.
Ведущая организация: Казахская академия транспорта
и коммуникаций имени М. Тынышпаева
Защита состоится « 17» сентября 2010 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 14.03.01 в Научно-исследовательском и проектном институте строительных материалов ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ» по адресу: 050060, г. Алматы, ул. В. Радостовца, 152/6, к. 306.
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Научно-исследователь-ского и проектного института строительных материалов ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ» по адресу: 050060, г. Алматы, ул. В.Радостровца, 152/6.
Автореферат разослан « » августа 2010 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н. |  | А. Куатбаев |
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Проблема экологической безопасности, вопрос ресурсосбережения природных материалов и вяжущих, особенно дорогостоящих, одна из актуальных проблем в строительстве.
В связи с этим, перспективным направлением является разработка технологии целого ряда композиционных вяжущих и облицовочных материалов, заменяющих более дорогие аналогичные материалы как природный камень, изделия из керамики, стекла и других искусственных материалов. Вместе с тем недостаточно систематизированы данные о влиянии различных добавок и технологических параметров на формирование структуры и свойств вяжущих, что вызывает необходимость проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований по разработке технологии ангидритовых вяжущих и бетонов на их основе с использованием в качестве основного сырья фосфогипса завода минеральных удобрений ТОО «Казфосфат».
Указанные предпосылки создали объективную необходимость проведения настоящих исследований.
Работа выполнена по научному плану НИР ТИ МКТУ, в соответствии с научно-технической программой по комплексному исследованию сырьевых ресурсов Казахстана и развитию строительства «Стройпрогресс-2000», задачами, поставленными в Послании Президента страны народу Казахстана «Процветание, безопасность и улучшение благосостояния всех казахстанцев. Казахстан-2030».
Целью работы является разработка составов композиционных ангидритовых вяжущих с использованием гипсосодержащих промышленных отходов и бетонов на основе фосфогипса.
Задачами исследования являются:
- изучение химико-минералогического состава, физико-механических свойств фосфогипса и многофункциональных добавок, таких как: известняк, доломит, керамзитовая пыль, щелочных добавок, таких как: стеклобой, сульфат натрия, полимерные добавки пластификаторов;
- оптимизация технологических параметров режима обжига;
- изыскание и исследование влияния модифицирующих химических и минеральных добавок на свойства ангидритового вяжущего и структуру фосфогипсового камня;
- разработка составов, исследование основных физико-механических свойств и долговечности тяжелых и легких бетонов на основе композиционного ангидритового вяжущего;
- проведение опытно- промышленных испытаний;
- разработка технологического регламента и обоснование экономической эффективности производства ангидритового вяжущего на основе фосфогипса.
Научная новизна работы:
- установлен характер структурных преобразований протекающих при термической обработке фосфогипса и щелочных добавок. Параметры обжига и содержание известняка являются основными факторами, влияющими на прочность, образование максимального количества CaSO4, а также минералов цемента, повышающих водостойкость. Определено, что добавка извести интенсифицирует твердение ангидритовых вяжущих, формирует структуру гипсового камня с пониженной общей и открытой пористостью и повышенной долей закрытых пор;
- установлено, что оптимальное соотношение тонкости помола, минеральных наполнителей и пластифицирующих добавок позволяет сократить сроки схватывания ангидритовых вяжущих, расход обжиговой составляющей на 15-20%, способствует снижению водопотребности, повышению прочности и улучшению технологических свойств;
- выявлен механизм твердения ангидритовых вяжущих с добавками карбонатных наполнителей и керамзитовой пыли. Добавка керамзитовой пыли способствует повышению водостойкости гипсовых вяжущих, а карбонатные наполнители повышают активность вяжущих более эффективно чем гипсовые и кварцевые наполнители;
- выявлены особенности спекания ангидритовой сырьевой смеси с щелочесодержащими добавками, снижающими температуру обжига, интенсифицирующими процесс обжига и активизирующими формирование ангидрита и цементных клинкерных фаз;
- определены структурные особенности и получены зависимости прочности, ползучести и других физико-механических свойств тяжелых и легких бетонов на основе ангидритовых вяжущих. Показана возможность получения бетонов повышенной прочности, из местного сырья и отходов промышленности.
Практическое значение работы:
- разработаны составы и технология ангидритовых вяжущих марок М300, М400, пригодных для изготовления сухих строительных смесей, кладочных и штукатурных работ;
- разработаны составы тяжелых и легких бетонов на основе ангидритовых вяжущих и местных недефицитных заполнителей;
- разработан технологический регламент производства ангидритовых вяжущих мощностью 20 тыс. тонн в год на заводе минеральных удобрений ТОО «Казфосфат».
Основные положения, выносимые на защиту:
- разработанные составы и технология композиционного ангидритового вяжущего на основе фосфогипса;
- результаты исследований влияния комплекса модифицирующих добавок на физико-механические свойства, структуру ангидритового вяжущего;
-разработанные составы тяжелых и легких бетонов на основе ангидритового вяжущего и заполнителей;
- результаты опытно-промышленной апробации технологии ангидритового вяжущего на основе фосфогипса.
Апробация работы и публикации:
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на республиканских и международных научных конференциях: «Актуальные проблемы и перспективы развития систем автоматизированного управления» (Алматы, 2008), «Послевузовское и дополнительное военно-профессиональное образование: состояние и перспективы развития» (Алматы, 2008), « Perspektywiczne opracowania sa nauka I technikami », г.Пземысл, 2009 г., «Обеспечение экологической безопастности – путь к устойчивому развитию Казахстана» (Тараз, 2010), «VI Дулатовские чтения» (Тараз 2008).
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 18 печатных работах.
Объем и структура диссертации:
Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложений, содержит 127 страниц, 38 таблиц, 50 рисунков, список использованных источников из 133 наименований.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1 Теоретические и практические основы производства ангидритового вяжущего
Исследования возможности получения ангидритового вяжущего на основе природного сырья, гипсосодержащих отходов, а также растворов и бетонов на его основе проводились О. Шоттом, дальнейшие работы выполняли А. Ниттак, В. Виганд, З. Хайнцель, П.П. Будников, исследования также проводились С.П. Зориным, И.Я. Голосовкером, А.С. Костереным, П.П. Переверзневым, А.А Разиным, Р.Э. Симановской, Ф.М. Хакимовым, У.А Аяповым, В.И. Березовским, Т.Г. Гадададзе и другими учеными. В дальнейшем были проведены разработки различных видов композиционных гипсовых вяжущих под руководством Т.В. Кузнецовой, А.В. Феронской, М.С. Садуакасова, Г.А. Айрапентова, Р.З. Рахимова и др.
Одной из важных проблем производства ангидритового вяжущего является его недостаточная водостойкость. Повышению водостойкости ангидритового вяжущего способствуют интенсивное уплотнение, добавки синтетических смол, гидрофобизирующих добавок. Наиболее эффективным является введение в состав ангидритового вяжущего активных минеральных добавок.
Для получения изделий на основе ангидритового вяжущего, к которым предъявляются повышенные требования по водо - и морозостойкости, целесообразно применение щелочных активизаторов твердения извести, доломита, известняка.
В качестве одного из компонентов композиционного ангидритового вяжущего, позволяющего снизить его водопотребность и повысить физико-механические свойства, являются пластифицирующие добавки.
Особый интерес представляет изучение ангидритовых вяжущих для получения сухих строительных смесей.
Для управления процессами структурообразования необходимо установить влияние температуры термообработки, добавок известняка, извести, керамзитовой пыли, доломита, пластифицирующих и щелочных добавок на закономерности формирования ангидрита, гидратных новообразований в камне, а также исследовать физико-механические свойства тяжелых и легких бетонов на основе природных и техногенных заполнителей.
2 Характеристика сырьевых материалов и методы проведения исследования
При выполнении диссертационной работы использованы стандартные методы исследований. Объективность и достоверность результатов научных исследований, выводов и заключений обеспечены соответствием нормативно-техническим требованиям стандартов РК.
В качестве основного сырьевого материала для получения ангидритового вяжущего был использован фосфогипс Жамбылского ТОО «Казфосфат». Добавками, выполняющими различные функции, были использованы: известняк, доломитовый известняк, доломит, стеклобой, пыль электрофильтров, керамическая и мраморная пыль, гипс, песок Бурульского месторождения, природная поваренная соль, полимерные добавки.
Все сырьевые материалы, используемые в настоящем исследовании для получения композиций, были подвергнуты рентгенофазовому, дифференциально-термическому анализам, инфракрасной спектроскопии.
Количественный рентгенофазовый анализ (РФА) проводили на установке ДРОН-3М (излучение Cu, K, фильтр- Ni). Чувствительность метода составляет 1-2%. РФА подвергали порошки образцов и исходных сырьевых компонентов, прошедшие через сито 100 отв/мм2. При расшифровке рентгенограмм использовали данные картотеки ASTM.
Количественный фазовый анализ проводили согласно методике, которая основана на зависимости интенсивности дифракционного отражения в исследуемом материале по сравнению с эталонами.
Дифференциально-термический анализ (ДТА) осуществляли на дериватографе ОД-102 системы Ф. Паулик, И. Паулик и Л. Эрдеи до температуры 500°С, а также на «Derivatographe» G-1500D фирмы МОМ со скоростью нагрева 10°С/мин.
Электронно-микроскопический анализ структуры ангидритовых вяжущих и бетонов проводили на электронном микроскопе ЭММА-2 методом предварительно оттененной платиноуглеродной реплики.
Петрографический анализ проведен на микроскопе МИН-8 (х210).
Инфракрасный спектральный анализ ангидритовых вяжущих и бетонов осуществляли на спектрофотометре «Specord М-80» в области частот 4000- 400 см-1. Пробы готовились таблетированием с бромидом калия (d = 20мм, давление 7 т/см2). Расшифровку и интерпретацию ИК-спектров проводили по литературным и справочным данным.
Для установления функциональных зависимостей свойств ангидритовых бетонов от их состава и построения диаграмм «состав-свойствa» применяли трехфакторный метод математического планирования экспериментов, программа разработана на языке Паскаль.
Истинную и среднюю плотность исследуемых композиций определяли пикнометрическим методом и соответственно ГОСТ 12730.1-78.
Оценку морозостойкости ангидритовых бетонов осуществляли в соответствии с требованиями ГОСТ 10060-87.
Предел прочности определялся в соответствии требованиям ГОСТ 10180-78 и ГОСТ 310.4-81.
Деформативные свойства бетонов изучали на гидравлическом прессе П-125, нагрузка проводилась поэтапно, после чего определяли фактическую величину разрушающей нагрузки.
Потери массы при истирании образцов бетонов определяли по требованиям ГОСТ (13087-81) 6787-80. За среднеарифметическое значение принимали результаты испытания пяти образцов.
Марку по водонепроницаемости определяли по методике ЦНИИОМТП. Оценку водонепроницаемости осуществляли по значению практической непроницаемости. Водопоглощение определяли по массе в соответствии с требованиями ГОСТ 12730.3-78.
3 Формирование структуры и свойств ангидритового вяжущего в зависимости от добавок и технологических факторов
В результате проведенных исследований выявлено влияние температуры, продолжительности обжига и содержания известняка на формирование структуры и свойств ангидритового вяжущего из фосфогипса.
Для нахождения оптимальной температуры, продолжительности обжига и количества добавки известняка был применен математический метод планирования эксперимента - рототабельный план второго порядка Бокса-Хантера. Это позволило получить математическую модель исследуемой системы в виде уравнений регрессии при проведении 20 опытов, в том числе проведено 6 параллельных опытов, необходимых для оценки значимости коэффициентов уравнении регрессии и проверки адекватности.
В качестве целевой выходной переменной Y выбраны показатели прочности R при сжатии, МПа, коэффициент размягчения, водопоглощение, %, содержание гидратной воды, %.
В качестве факторов использованы следующие входные параметры:
Х1 – температура обжига фосфогипса, 0С;
Х2 – продолжительность обжига фосфогипса, включая нагрев до заданной температуры, ч;
Х3 – содержание известняка, %.
Максимальные значения прочности при сжатии 28-34 МПа могут быть достигнуты при следующих параметрах: температура обжига- 900-9500С, продолжительность-1,2-1,5 ч, содержание известняка -10-15%.
На основе анализа полученной матрицы и результатов экспериментов построен график изменения прочности от температуры, результаты которого подтверждают данные рентгенофазового анализа образцов (рисунки 1 и 2). Максимальная прочность ангидритового вяжущего 28-29 МПа достигается при температуре обжига 900-950 0С, продолжительности обжига - 1,2-1,5 ч и содержании известняка - 10-15%, при этом содержание гидратной воды в составе продукта обжига составляет 0,1-0,3%.
Рисунок 1 - График изменение прочности от температуры
Повышение температуры обжига приводит к «пережогу» и ухудшению строительно-технических свойств ангидритового вяжущего.
Определение оптимальных параметров режима обжига для получения ангидритового вяжущего в лабораторных условиях проводили при использовании в качестве сырья фосфогипсовых гранул фракций 5-10; 10-20; 20-40 мм, исходя из допустимых размеров фракций сырья для обжига во вращающихся печах, использование которых предполагается в промышленных условиях, охлаждение продукта обжига осуществлялось на воздухе.
Таким образом, исходя из результатов проведенных исследований, оптимальная продолжительность обжига в зависимости от гранулометрического состава гипсового сырья составляет:
- для фракции 5-10 мм - 1,1-1,4 ч;
- для фракции 10-20 мм - 1,4-2,0 ч;
- для фракции 20-40 мм – 2,0-2,3 ч.
а – ангидритовое вяжущее с введением добавки извести (5%); б – реактивы CaSO4 (95%) и CaO (5%)
Рисунок 2 – Дифрактограммы образцов в возрасте 28 сут, полученных при твердении композиций
С целью определения оптимальной тонкости помола ангидритового вяжущего исследовано влияние тонкости помола на основные физико-технические свойства ангидритового вяжущего и гипсового камня на его основе. Ангидритовое вяжущее подвергали помолу в лабораторной шаровой мельнице до различной степени дисперсности, которая характеризовалась по данным ситового анализа остатком на сите № 008. Помол осуществляли совместно с добавкой активизатора твердения – известью в количестве 5% от массы вяжущего.
Анализ полученных данных показывает, что увеличение тонкости помола вызывает сокращение сроков схватывания вяжущего. Оптимальная тонкость помола вяжущего, при которой достигается максимальная прочность фосфогипсового камня, характеризуется остатком на сите N 008 5-7%, его удельная поверхность составляет 450-500 м2/кг. Дальнейшее увеличение тонкости помола вяжущего не приводит к повышению прочности гипсового камня на его основе, что объясняется повышением водопотребности вяжущего из-за увеличения его удельной поверхности.
Минеральные наполнители в оптимальном количестве и при оптимальной дисперсности позволяют добиться сокращения расхода обжиговой составляющей при производстве цемента и ангидритового вяжущего из фосфогипса.
В качестве наполнителей в состав ангидритового вяжущего вводили молотую мраморную пыль, доломит, известняк Каратауского, гипс Бурульского месторождений Жамбылской области. Подобный выбор обусловлен возможностью использования соответствующих пород местного минерального сырья. Анализ результатов исследований влияния минеральных наполнителей различного вида и дисперсности на прочностные показатели ангидритового вяжущего показывает, что рассмотренные добавки в оптимальном количестве способствуют повышению прочности гипсового камня и снижению расхода обжиговой части вяжущего и различаются по своей эффективности. Наиболее эффективными являются мраморный, известняковый и доломитовый наполнители, введение которых в количестве 10-15% от массы вяжущего при удельной поверхности 300-500м2/кг, позволяет повысить прочность гипсового камня на 15-20% по сравнению с контрольными образцами. Введение гипсового наполнителя в меньшем, по сравнению с добавками карбонатных наполнителей количестве, составляющем 3 и 5% от массы вяжущего, позволяет повысить прочность образцов гипсового камня на 18-20% относительно контрольных образцов. Таким образом, проведенные исследования показывают возможность использования тонкомолотых наполнителей в составе ангидритового вяжущего. Термические показатели гидратации ангидритового вяжущего приведены на рисунке 3.
Рисунок 3 – Изменение суммарного эффекта тепловыделения вяжущих
от времени
Проводили исследования влияния пластифицирующих добавок на свойства ангидритового вяжущего и гипсового камня на его основе. Как известно применение таких добавок открывает перспективу их многофункционального использования в качестве компонента сухих строительных смесей. Исследовали влияние пластифицирующих добавок: суперпластификатора «С-3», карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), метилцеллюлозы (МЦ), производимых в России, а также в дальнем зарубежье: «Тилоза», «Мовилит » фирмы «Клариант» Германия, «Адингколор» фирмы «Адинг» (г. Скопье, Македония) с целью разработки составов сухих отделочных смесей.
Пластифицирующие добавки вводили в состав вяжущего в твердом агрегатном состоянии при помоле. В результате проведенных исследований влияния пластифицирующих добавок на физико-технические свойства ангидритового вяжущего установлено, что наибольший пластифицирующий эффект и повышение прочностных показателей вяжущего при снижении водовяжущего отношения достигается при совместном ведении в его состав добавок. Введение добавки С-3 в количестве 0,5-1,0% от массы вяжущего вызывает снижение водопотребности ангидритового вяжущего с 34 до 27-25% соответственно, повышение средней плотности образцов гипсового камня с 1742 до 1865-1888 кг/м3, прочности при сжатии на 45-53%, коэффициента размягчения с 0,53 до 0,57 по сравнению с контрольными образцами. Среди полимерных добавок в наибольшей степени удлиняет сроки схватывания теста добавки Репаратур и Тилоза, а в наименьшей степени добавки Адингколор, МЦ, КМЦ.
Проводили опыты по исследованию армирования гипсового камня волокнистыми материалами, что позволяет увеличить прочность при растяжении и изгибе, ударную прочность, увеличить трещиностойкость, повысить адгезионные свойства, увеличить изностойкость и т.д. Для армирования гипсовых материалов используются органические и неорганические волокна: древесные, асбестовые, стеклянные и др. Вводили следующие виды волокон: полиакриловые Ricem MC длиной 3,6,12мм, полипропиленовые Fibrin длинной 6, 8, 12 мм, отходы асбестоцементных заводов – бой шифера, стружка от обработки асбестоцементных труб, бракованных асбестоцементных изделий.
Согласно полученным данным, наиболее эффективным с точки зрения повышения предела прочности при изгибе, является введение полимерных волокон в количестве 0,05% от массы вяжущего (рисунок 4). Применение полиакриловых волокон Ricem MC при их длине 78 мм и полипропиленовых Fibrin при длине 5-6 мм увеличивает предел прочности при изгибе с 8,5 до 9,5 МПа. При введении волокон в виде асбестоцементных отходов в количестве 5-7%, происходит увеличение прочности при изгибе с 4,0-5,5 до 8,0-9,5 МПа.
Получены результаты, позволяющие подтвердить, что введение в состав гипсовых вяжущих добавок керамзитовой пыли, являющейся активной добавкой, способствует повышению водостойкости. На основании результатов проведенных исследований установлено, что введение в состав ангидритового вяжущего добавки керамзитовой пыли совместно с известью в количестве 5% по массе при удельной поверхности КП 400 м 2/кг позволяет при сохранении прочности гипсового камня повысить коэффициент размягчения с 0,59 до 0,70, что соответствует требованиям, предъявляемым к гипсовым вяжущим повышенной водостойкости (рисунок 5). Повышение водостойкости гипсового камня обусловлено образованием низкоосновных гидросиликатов кальция при взаимодействии керамзитовой пыли и извести, которые наряду с карбонатом кальция, образующимся при карбонизации извести, уплотняют поровую структуру гипсового камня.
Количество добавки полимерных волокон, %
1 - Ricem MC 2,5/6; 2- Ricem MC 2,5/8; 3 - Ricem MC 2,5/12; 4 - Fibrin 6; 5- Fibrin 8; 6- Fibrin 12 мм
Рисунок 4 - Зависимость изменения предела прочности при изгибе от количества, длины полимерных волокон
Установлено влияние карбонатных наполнителей различных месторождений на свойства ангидритового вяжущего и гипсового камня на его основе. По результатам исследований с учетом наибольшей степени наполнения ангидритового вяжущего при повышении или сохранении его прочностных показателей карбонатные наполнители – кальцитовый (известняковый) и доломитовый, при удельной поверхности 300 м2/кг показано, что они являются более эффективными по сравнению с гипсовыми или кварцевыми наполнителями. На основании проведенных исследований установлено, что при введении в состав ангидритового вяжущего известнякового или доломитового наполнителей с содержанием СаО более 28,63%, нерастворимого остатка до 11,7%, в количестве 1% от массы вяжущего прочность образцов гипсового камня повышается соответственно на 13-20 и 5-15% без снижения прочности по сравнению с исходным незаполненным вяжущим. Допустимо введение известнякового или доломитового наполнителя с содержанием СаО более 28,63%, нерастворимого остатка 7,35% в количестве 20% от массы вяжущего.
а - добавка извести - 3; б - добавка извести – 5; в - добавка извести – 7%
Рисунок 5 – Влияние добавок на прочность при сжатии ангидритового
вяжущего (количество добавки керамзитовой пыли – 5%)
Многокомпонентный состав композиционного ангидритового вяжущего оптимизировали с применением метода математического планирования эксперимента. При проведении эксперимента использован наполнитель, размолотый до удельной поверхности 300 м2/кг. Установлены оптимальные составы КАВ повышенной и средней водостойкости.
Анализ полученных результатов показывает, что оптимальная тонкость помола композиционного ангидритового вяжущего, соответствующая максимальным значениям его прочностных показателей и отсутствию значительного снижения активности при длительном хранении, характеризуется остатком на сите N 008 - 4-7%. Гарантированная марка 500 при величине допустимого отклонения по прочности 5% сохраняется при хранении вяжущего, упакованного в полиэтиленовые мешки в течение 30 сут.
Изучались особенности спекания ангидритной сырьевой смеси с щелочесодержащими добавками с целью использования минерализующих добавок для повышения физико-механических свойств и ускорения процессов формирования клинкерных фаз. Для этого использовали метод неизотермической кинетики. В качестве минерализующих добавок были использованы щелочесодержащие отходы – стеклобой, пыль электрофильтров цементных производств, природная соль Сарысуского месторождения. Анализ полученных данных свидетельствует, что введение изученных минерализаторов в состав ангидритового вяжущего значительно изменяет кинетические параметры обжига. Например, введение щелочных добавок приводит к снижению энергии активации процесса Еср с 315,4 до 210,3 КДж/моль, при этом на 38-40% повышается прочность образцов. Минерализующее действие низковязких добавок приводит к существенному изменению модификации относительно кремнезема в составе фосфогипса, препятствуя его кристаллизации и одновременно повышая степень конденсации силикат - аниона.
Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о положительной роли щелочных добавок позволяющих снизить температуру обжига, интенсифицировать процесс обжига, активизируют формирование ангидрита и цементных клинкерных фаз.
4 Исследование свойств гипсобетонов на основе ангидритового
вяжущего
Для оценки возможности применения декоративно-облицовочных плит из бетона, на основе композиционного ангидритового вяжущего с заполнителем для облицовки наружных стен в условиях, предполагающих неблагоприятные воздействия влаги и температуры, проведены исследования стойкости образцов гипсобетона при длительном хранении в воде, изучена их воздухостойкость и морозостойкость. Исследования проводили на образцах гипсобетона при соотношении вяжущее: заполнитель, равном 1:1. В качестве крупного заполнителя были использованы кварцит, сланец, мрамор, гранит и доломит.
Результаты испытаний бетона на стойкость при длительном хранении в воде показывают, что гипсобетон на основе композиционного ангидритового вяжущего повышенной водостойкости выдерживает без появления дефектов поверхности образцов 360 сут хранения в воде, при этом потери прочности составляют 4-5%, коэффициент размягчения 0,64-0,70. Образцы бетона на основе композиционного ангидритового вяжущего повышенной водостойкости, для которых предельно допустимое значение коэффициента воздухостойкости выше 0,75, выдерживают 100 циклов попеременного увлажнения - высушивания и являются воздухостойкими (таблица 1).
Образцы бетона на основе мрамора, доломита, сланца без появления дефектов внешнего вида выдерживают 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания, а бетоны на основе кварцита и гранита – 25 циклов. Повышенная водо- и морозостойкость образцов бетона на основе композиционного ангидритового вяжущего обеспечивается модифицирующим действием комплекса вводимых добавок, способствующих снижению общей и открытой пористости материала, смещению основного размера пор в сторону более тонкой пористости.
Результаты проведенных исследований позволяют рекомендовать бетон на основе композиционного ангидритового вяжущего повышенной водостойкости с заполнителем для производства декоративно-облицовочных плит для внутренней и наружной облицовок стен зданий при условии их конструктивной защиты от длительного воздействия влаги.
Таблица 1 - Основные физико-механические свойства бетона на основе композиционного ангидритового вяжущего
| Номер состава вяжущего | Водовяжущее отношение | Предел прочности, МПа в возрасте 28 сут | Средняя плотность кг/м3 | Коэффициент размягчения | Водопо- глощение по массе, % | |
| при сжатии | при изгибе | |||||
| 1-кварцит | 0,30 | 20,1 | 5,6 | 2023 | 0,69 | 4,6 |
| 2-сланец | 0,30 | 21,4 | 5,9 | 2015 | 0,66 | 4,7 |
| 3-мрамор | 0,30 | 28,1 | 7,1 | 2080 | 0,71 | 4,3 |
| 4-гранит | 0,30 | 18,8 | 5,2 | 1995 | 0,63 | 5,1 |
| 5-доломит | 0,30 | 23,6 | 7,3 | 2063 | 0,71 | 5,7 |
Таким образом, проведенные исследования прочностных, деформационных свойств и долговечности гипсобетонов на основе ангидритового вяжущего из фосфогипса, показали возможность получения бетонов повышенной прочности, из местного сырья и отходов промышленности.
Таблица 2 - Составы легких бетонов
| Марка бетона по ГОСТ 10180-78 | Средняя плотность в сухом состоянии, кг/см2 | Расход материалов на 1м3 смеси, кг | |||
| ангидритовое вяжущее | известь | зола | вода | ||
| 35-50 | 1000-1100 | 60-80 | 20-30 | 700-800 | 450-500 |
| 50-75 | 1100-1300 | 81-90 | 20-30 | 750-900 | 420-520 |
| 75-100 | 1300-1400 | 91-100 | 20-30 | 900-1000 | 400-500 |
При изготовлении легких бетонов в качестве заполнителей применяли недефицитные материалы в виде опилок и золы (таблица 2). В исследовании применяли отвальные золы от сжигания бурых и каменных углей в количестве до 30%, удельной поверхностью не ниже 1500 см2/г и содержанием несгоревшего топлива (п.п.п.) не более 15%, а серного ангидрида не более 3,5 %.
Для получения легких бетонов со средней плотностью 800-1000 кг/м3 и ниже в составы вводили комплексные добавки, состоящие из казеинового клея 0,03-0,08%, абгестата натрия – 0,02-0,04 и хлористого кальция – 0,5% от массы сухих компонентов композиции. При этом получили бетоны с повышенными
физико-механическими показателями (таблица 3). Определено, что применение отвальных зол упрощает технологию приготовления бетона.
Таблица 3 - Результаты кратковременных испытаний камней, раствора, кладки
| Механические свойства | Объем выборки, шт. | R, МПа | S, МПа | V, % | , % |
| прочность камня прочность раствора прочность кладки Ru | 7 7 5 | 7,00 0,52 1,50 | 0,20 0,30 0,08 | 5,70 1,70 4,30 | 5,20 1,50 4,80 |
По результатам исследований получены легкие бетоны с необходимой высокой жесткостью, что позволяет создавать долговечные стеновые конструкции.
5 Опытно-промышленные испытания и экономическая эффективность производства ангидритового вяжущего и бетонов на основе фосфогипса
Опытно-промышленные испытания проводили на АО «Жамбылский фосфорный комбинат» на вращающейся печи со следующими параметрами: длина -1,5 м, диаметр -0,6 м, размер фракции гранулированного фосфогипса составлял 5-40 мм; конечная температура обжига варьировалась от 850 до 9500С; продолжительность обжига составляла -1,1-1,5 ч. Лучшие результаты получены для ангидритового вяжущего обжигом при 9500С и длительности – 1,4 ч, что подтверждает данные лабораторных исследований. Помол вяжущего осуществляли в шаровой мельнице размерами: длина – 1,5м, диаметр – 700 мм. Оптимальное время помола составило – 4 ч. При этом удельная поверхность ангидритового вяжущего, определенная по воздухопроницаемости, составила - 4000- 4200 см2/г. Для изготовления сухих строительных смесей, были использованы фарфоровые шары, исключающие влияние загрязнения.
Из приготовленного по вышеуказанным технологиям ангидритового вяжущего в цехе сухих строительных смесей АО «Жамбылский гипсовый комбинат» были изготовлены декоративно-облицовочные плиты размерами: длина 200-800 мм, ширина 200-600 мм, толщина 10-40 мм. Приготовление гипсобетонной смеси производили следующим образом: в смеситель из расходного бака и бункера подается вода затворения и композиционное ангидритовое вяжущее. Перемешивание смеси осуществляли в течение 1-2 мин, затем добавляли заполнитель и при необходимости пигмент, затем продолжали перемешивание в течение 2 мин. Приготовленную гипсобетонную смесь укладывали в формы вибростанка. После укладки гипсобетонной смеси при прижатой к тыльной стороне плиты рельефа, образующем при грузе в течении 90 с, осуществляли вибрирование. Отформованные плиты направляли на пост твердения, с распалубкой через 8 ч. Была выпущена партия плит объемом – 100 м2, которые по своим физико-механическим свойствам отвечали требованиям ГОСТ 9479-84 и ГОСТ 24099-80. Легкие бетоны изготавливали аналогичным образом. Были выпущены стеновые изделия размером 390х190х190 мм методом вибропрессования в количестве 1000 шт. и теплоизоляционные плиты со средней плотностью 500-800 кг/м3, прочностью при сжатии 3,0-7,5 МПа.
Производство ангидритового вяжущего объемом 30 тыс. т на Жамбылском гипсовом комбинате позволяет получить годовой экономический эффект 17,280 млн. тенге. Выпуск ангидритового вяжущего и целого ряда изделий на его основе позволяет значительно удовлетворить потребность в этих материалах и изделиях южный регион Казахстана.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненные исследования позволили получить ангидритовые вяжущие и бетоны с заданными физико-техническими свойствами на основе отходов промышленности и местного сырья (фосфогипс, керамзитовая пыль, мраморная пыль, известняк, доломит).
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
1. Физико-химическими методами выявлены особенности химико-минера-логического состава основного сырья при производстве ангидритового вяжущего из фосфогипса.
2. Установлены оптимальные параметры режимов обжига фосфогипса в зависимости от его гранулометрического состава и содержания известняка, использованного в качестве активизатора твердения ангидритового вяжущего.
3. Повышению прочностных показателей ангидритового вяжущего в температурном интервале 850-9500С способствует снижению его водопотребности в результате уменьшения размера кристаллических блоков ангидрита II.
4. Получены зависимости, характеризующие влияние комплекса модифицирующих добавок на прочностные показатели и коэффициент размягчения гипсового камня, на основании которых определены оптимальные составы ангидритового вяжущего.
5. Интенсификация процессов спекания ангидритового вяжущего с минерализующими добавками (пыль электрофильтров, стеклобой, природная соль) показала, что они активизируют формирование ангидрита II и цементных клинкерных фаз, в частности белита, алюмоферритов кальция.
6. С помощью рентгенофазового и электронно-микроскопических методов установлено, что повышению водостойкости гипсового камня при совместном введении добавок извести, керамзитовой пыли и суперпластификатора способствует образование труднорастворимых низкоосновных гидросиликатов кальция, а также карбоната кальция, уплотняющих поровую структуру гипсового камня.
7. Установлено, что по мере повышения кристаллохимического подобия минеральных наполнителей наиболее эффективными добавками, снижающими расход обжиговой части, являются - известняковый, мраморный и доломитовый наполнители.
8. Получены зависимости прочностных и деформационных характеристик, а также долговечности гипсобетонов на основе ангидритового вяжущего из фосфогипса и заполнителей из мрамора, доломита, известняка, кварцита, сланца, гранита.
9. Выявлены особенности напряженно-деформированного состояния легких бетонов с использованием ангидритового вяжущего и заполнителей (опилок, керамзитовой пыли, золы), на основании которых разработаны оптимальные составы конструкционно-теплоизоляционных бетонов со средней плотностью 600-800 кг/м3.
10. Проведены опытно-промышленные испытания составов ангидритовых вяжущих и бетонов на их основе в условиях АО «Жамбылский гипсовый комбинат».
11. Разработан технологический регламент производства ангидритовых вяжущих и декоративно-облицовочных плит.
12. Годовой экономический эффект при объеме производства ангидритового вяжущего 20 тыс. т составит 17,433 млн. тенге, при производстве декоративно-облицовочных плит объемом 30 тыс. м2 составит 17,280 млн. тенге.
Оценка полноты решения поставленных задач.
В соответствии с планом работы, теоретические и лабораторные исследования проведены в полном объеме, полученные результаты обработаны, сделаны выводы и заключения.
При выполнении работы в полном объеме проведены теоретические и лабораторные исследования, тем самым достигнута цель диссертационной работы.
Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов.
Разработаны составы и технология ангидритового вяжущего марок М300, М400, пригодных для изготовления сухих строительных смесей, кладочных и штукатурных работ, получены составы тяжелых и легких бетонов на основе ангидритового вяжущего и местных недефицитных заполнителей. Разработан технологический регламент производства ангидритового вяжущего мощностью 20 тыс. т в год, выпущена опытно-промышленная партия ангидритового вяжущего на АО « Жамбылский гипсовый комбинат». Результаты работ переданы ЗМУ ТОО «Казфосфат» для внедрения в промышленное производство.
Оценка технико-экономической эффективности внедрения.
Годовой экономический эффект при объеме производства ангидритового вяжущего 20 тыс. т составит 17,433 млн. тенге, при производстве декоративно-облицовочных плит объемом 30 тыс. м2 составит 17,280 млн. тенге.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области.
Научная новизна работы определяет научно-практическую значимость работы, соответствующей научно–техническому уровню в области разработки конкурентоспособных строительных материалов. Выпуск опытно-промыш-ленной партии изделий по предполагаемой технологии в АО «Жамбылский гипсовый комбинат» показал технологическую и экологическую эффективность работы.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1 Сулейменов Ж.Т., Сагындыков А.А., Абишев А.Т. Влияние температуры, продолжительности обжига и содержания известняка на свойства ангидритового вяжущего из фосфогипса // Вестник НИИстромпроекта.- Алматы, 2009.-№3-4 (19).-С.25-28.
2 Сагындыков А.А., Абишев А.А., Каршыгаев Р.О. Исследования влияния минеральных наполнителей на свойства ангидритового вяжущего из фосфогипса //Вестник НИИстромпроекта.- Алматы, 2009.- №3-4 (19).- С.52-56.
3 Сагындыков А.А., Абишев А.А., Жаксылыкова С.Б., Жылкыбаева А.Л. Особенности спекания ангидритовой сырьевой смеси с щелочесодержащими добавками // PERSPEKTYWICZNE OPRACOWANIA SA NAUKA I TECHNIKAMI-2009: материалы Междунар. научно-практ. конф.- Przemysl, 2009.- С.87-90.
4 Абишев А.Т., Есиркепова А.К. Исследование влияния модифицирующих добавок на свойства ангидритового вяжущего // Вестник ТарГу им. М.Х. Дулати.- Тараз, 2009.-С.191-197.
5 Абишев А.Т. Исследование влияния керамзитовой пыли на свойства ангидридритового вяжущего // Вестник НИИстромпроекта.- Алматы, 2010.-№ 1-2(21).-С 36-37.
6 Абишев А.Т. Ангидритовые вяжущие, модифицированные пластифицирующими добавками // Вестник НИИстромпроекта.- Алматы, 2010.-№ 1-2 (21).-С. 33-35.
7 Пред. Пат. 2010-01/67 РК. Сырьевая смесь для получения ангидритового цемента / Сулейменов Ж.Т., Сагындыков А.А., Абишев А.Т., опубл. 10.02.2010, Бюл. № 2.- 2 с.
8 Пред. Пат. 2010-01/64 РК. Сырьевая смесь для получения ангидритового цемента / Сулейменов Ж.Т., Сагындыков А.А., Абишев А.Т., опубл. 10.02.2010, Бюл. № 2.- 2 с.
9 Абишев А.Т. Переработка фосфогипса в ангидритовые вяжущие //Математическая наука и ее вклад в развитие прикладных научных исследований: материалы Респ. научно-практич. конф.- Тараз, 2010.-С.53-55.
10 Сагындыков А.А., Абишев А.Т., Каршыгаев Р.О. Сухие гипсовые смеси с добавками волокон // Дулатовские чтения – 6: материалы Междунар. научно-практ. конф.- Тараз, 2009.-С.193-195.
ТЙІН
Абишев Адиль Турсунович
05.23.05 – рылыс материалдары жне оны жасалуы
Зерттеу нысаны: фосфогипс деу жне оны негізінде ттыр ангидритті алу, трлі ттыр композиция технологиясын жне рлеу материалдарын жасау.
Жмысты масаты: ттыр ангидритті композиция рамын жасау, зерттеу жне соны негізінде бетон жасап, оларды физико-механикалы асиетін зерттеу.
Зерттеу дісі: жмыс кешенді зерттеу дістерді пайдалану арылы жасалды, рентгенді-фазалы, дифференциалды-жылулы, электронды- микр- роскопиялы зерттеулер,физико-химиялы сына жне математикалы жоспарлау тжірибелері.ш ауыспалы шін екінші реттегі бокс- хантер ротатабельді жоспары пайдаланылды.
Зерттеу орытындысы: ттыр ангидритті композиция жне соны негізінде бетон жасау фосфогипсті бетонды рамында гипсі бар ндірісітік алдытарды пайдалану оларды ра рылыс оспаларын жасауа болатындыын крсетті, ттыр ангидритті негізінде ауыр жне жеіл бетон, оспалар алу зіні физикалы жне механикалы асиеттері МСТ 2803-89, МСТ 94-80 жне МСТ 9479-84 талаптарына сай, яни оларды тжірибелік маызын растайды.
Конструктивті-технолногиялы жне техникалы олдануды негізгі сипаты: Зерттеу орытындылары ндірістік алдытар мен жергілікті шикізаттар негізінде (фосфогипс, керамзит, мрамор ша
дарын, к, даламит жне т.б.) физика-техникалы сипатты ттыр ангидритті бетон алуа болатындыын крсетті. Ттыр ангидритті композицияны тиімді рамы жоспарлы экспериментті тжірибелерден, ызмет модельдерінен жне бетонны басты асиет-сипаттарын, оспаларды технологиялы факторларынан тадап алынды.
Фосфогипсті кйдіруді оптималды корсеткіш тртібі оан осылан оспалара байланысты екендігі аны жадай; олар келесі корсеткішлер:
- кйдіру t°С=900-950;
-куйдіру уаыты, шікізатты гранулометрикалы урамына байланысты – 1,1-2,1 саат;
-гидратты су урамы -0,1-0,3% салмаы бойынша;
-№ 008 сзгіде алатын алды 4-7%.
Зертеу корсетуі бойынша, ангидритті тутыр усаталан мраморлы, кті, доломитті жне гипсті оспалартутырды салмаынан 10-15% пайдалану, тасты беріктігін 15-20% улкейтеды;
-АВ керазитті шаа к осу жумсару коэффициентін 0,59-дан 0,7дейын лкейтеды.
Композициялы АВ негізінде бетоннан декоративті рлеу плитасын пайдалану ммкіншілігі бар. Зертеу орытындысы корсетеуі бойынша суа тзымді гипсті бетон суда 360 тулік сатаналады, сонымен атар беріктыгін жоалтауы 6%, жумсарту коэффициенті – 0,7.
Енгізу аумаы жне дрежесі: жмыс орытындысы: «Жамбылскиий гипсовый комбинат» А жадайында декоративті рлеу плитасыны клемі 100 ш.м., ндірістік-тжірибелік сына АВ рамы жне соны неізінде бетон ндіру арылы енгізілді.
Пайдалану аумаы: сынылып отыран ангридитті рам ра рылыс оспаларына, кірпіш алауа, майлау жмыстарына, сондай-а, декоративті рлеу плиталары ретінде, имараттар мен йлерді абыраларын рлеуге пайдалануа болады.
Экономикалы тиімділігі: АВ композициясыны ндіріске ендіру тиімділігі ра рылыс оспасын 2009 жылды нымен есептегенде 174333 мы тенге, 30 мы шаршы метр декоративті рлеу плитасын КАВ негізінде ндірс, 15310 мы тенгені райды.
Зерттеу нтижесіні дамытуды келешегі: ттыр ангидритті жне рлеу материалдарыны тиімді рамын жне рационалды технологиясын жасау осыан сас ымбат материалдарды алмастыруа, оларды негізгі рылысыты техникалы асиетін зерттеу перспективалы баыт болып табылады. Ал, оларды сату біріншіден, ымбат шикізат материалдары ресурсын немдейді, екіншіден, ндірістік алдытарды жоюа байланысты экологиялы мселелерді ошешуге келеді.
SUMMARY
Abishev Adil Tursunovich
Composition angidrit binder and concrete on the here base
05.23.05 – Building materials and prodacts
Object of research.
The development fosfogihs and the results received composition angidrit on its base.
The aim of research.
The aim of research is the development of the composition angidrit binder optimal composition wish limt and active minerals additions and concrets on its base wish following stady of its main construction-technical properties.
Method of research.
The work is fulfilled with use of complex of modern methods of research including RFA, DTA, EMA, physical-mechanical tests and methods of mathematical planning of experiment. The rotatable composed design of the second order for free variables was used.
Results of research.
The results of research of properties of the composition angidrit binder wish local raw materials showed its convenience for building materials and concretes preparing.The received concrets mixture and concrets meets the requirements of GOST 28013-89,GOST 9480-84 and GOST 9479-84 on their physical-mechanical properties that proves the practical value of the work.
The main results received in studying of the concrete mixture and concrets on base fosfogipse binder properties were tested in industrial conditions of output of experimental-industrial parties of products.
Main constructive, technological and technical-operational characteristics.
In the work the optimal compositions, technological parameters of preparing and physical-mechanical properties of composition angidrit binder and concrets its fosfogipse base.
Optimal composition of composition angidrit binder and concrete on the here base was chosen wish the help of method of mathematical planning of experiment, models of dependence function of main propererties concrets on technological factors are received.
It is stated that under angidrit binder hydration new formations of submicroscopic level are formed. There new formation the macroporous structure and promote the raise of the main construction-technical properties of concrets from fosfogipse. Specific surface of binder is 4000-4200 sm2/g. The compressive strength of concrets from fosfogipse is 4,9-6,5 MPa.
Sample of concrets with 10% humidity has compressive strength 6,5 MPa, the raise of humidity to 50% lovers the strength to 3,94 MPa.
From resistance was defined by GOST 10060.0-95.The results of research showed that the frost resistance coefficient of concrets from fosfogipse wish mean density 700 kg/m3 after 35 cycles of freezing and thaw is K=0,92. Test results show that received concrets from fosfogipse has high frost resistance.
The resulys received under research were used in Technical Reglamente development in production angidrit binder and concrete on the here base.
Level and area of introduction.
The results of the work are introduced in production by output of experimental-industrial party of concrete from fosfogipse building plits in volume 100 m3 in conditions of AS «Dgambylski gipse combinate».
Area of utilization.
The offered concrete is related to constructional heat-insulating material and is used for enclosure preparing.
Saving rates.
The prospective economical effect of composition angidrit binder of the concrete mixture introduction in production of 20 000 t product on unified technological line is 17 433 000 tenge; concrete from fosfogipse introduction in production of 30 000 m2 is 15 310 000tenge.
The prospect of research object development.
The development of optimal compositions and rational technology of composition angidrit binder and concrete on the here base with given complex of properties and study of its main construction-technical properties are the perspective task and realization of this task leads to economy of expensivt raw material resources and to dicision of ecological problem bounded with utilization of industrial and agroindustrial wastes.
Подписано к печати « 30 » июля 2010 г.
Формат 60х84/16. Печать офсетная. Бумага офсетная.
Объем 1,3 п.л. Тираж 100 экз.
Типография ВИИРЭиС, Алматы, Жандосова,53
