Бетоны и вяжущие с использованием активизированных отходов горно-обогатительных комбинатов
УДК691.5:699:662.613.11 На правах рукописи
ШАЛТАБАЕВА САЛТАНАТ ТУРАРБЕКОВНА
Бетоны и вяжущие с использованием активизированных
отходов горно-обогатительных комбинатов
05.23.05 – cтроительные материалы и изделия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Республика Казахстан
Алматы, 2010
Работа выполнена в Казахской головной архитектурно-строительной академии.
| Научный руководитель: | кандидат технических наук, профессор Сулейменов А.Т. |
| Научный консультант: | кандидат технических наук, Жакипбеков Ш.К. |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, Шинтемиров К.С. |
| кандидат технических наук Мамыркулов М.Ы. | |
| Ведущая организация: | Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева |
Защита состоится 11 декабря 2010 г. в 15.30 часов на заседании Диссертационного совета Д 14.03.01 в Научно-исследовательском проектном институте строительных материалов (ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ») по адресу: 050060, г. Алматы, ул. В. Радостовца, 152/6, каб. 306.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Научно-исследовательского проектного института строительных материалов (ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ») по адресу: 050060, г.Алматы, ул. В. Радостовца, 152/6.
Автореферат разослан «____» ноября 2010 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н. |  | А. Куатбаев |
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Промышленность строительных материалов, изделий и конструкций является крупной составляющей экономики любой страны. Являясь основной материальной базой для строительства, она существенно влияет на темпы роста в других отраслях экономики и социальное состояние общества в целом. В Казахстане в ее состав входят около 600 предприятий, при этом лишь 5% из них являются крупными, а 17 % – средними.
В республике отрасль строительных материалов не отличается особой разветвленностью, многие товары, такие как: санитарно-технические изделия, стекло листовое, многие виды лакокрасочных изделий, теплоизоляционных изделий и прочие не выпускаются отечественными производителями. На сегодняшний день отечественная промышленность строительных материалов способна удовлетворять лишь часть потребностей строительного комплекса Казахстана, и, как следствие, существенную долю на рынке практически по всем видам строительных материалов занимает импортная продукция.
В целях развития собственного производства эффективных строительных материалов и повышения конкурентоспособности отечественной продукции Министерством индустрии и новых технологий разработана и реализуется Программа развития промышленности строительных материалов, изделий и конструкций на 2005-2014 годы, утвержденная постановлением Правительства от 13 декабря 2004 года.
Производство цемента в нашей стране значительно отстает от его потребления. На казахстанских заводах: АО «Central Asia Cement», АО «Шымкентцемент», ТОО "Цементный завод Семей», ТОО «Хайдельберг Восток Цемент», АО «Монолит», ТОО «Састобе Цемент» было произведено 2,6 млн. т цемента, уровень же фактического его потребления в стране составил порядка 3,1 млн. т.
Ежегодный дефицит вяжущих в Казахстане составляет, по разным оценкам, от 4,5 до 7 млн. т. Их недостаток, соответственно, компенсируется ввозом из ближнего и дальнего зарубежья.
Совокупная проектная мощность казахстанских предприятий составляет порядка 8,93 млн. т в год. Так, в 2005 и 2006 годах использованы лишь соответственно 39,3 и 42,4 % проектные мощности цементных заводов.
На цементных заводах РК на существующих помольных мощностях возможно увеличение годового выпуска цемента за счет введения активных минеральных добавок.
Использование отходов цветной металлургии в качестве добавок к цементу существенно расширит сырьевую базу цементной промышленности, а также вполне отвечает требованиям времени по обеспечению прироста потребности в сырье и материалах за счет их экономии, более полному использованию вторичного сырья, шлаков и других отходов для производства строительных материалов. Однако производство вяжущих с использованием отходов цветной металлургии сдерживается вследствие недостаточной изученности свойств и процессов их твердения, а также строительно-эксплуатационных характеристик бетонов на их основе.
Работа выполнена в соответствии с концепцией развития малого и среднего бизнеса, Правительственной Государственной программой по форсированному индустриально-инновационному развитию Республики Казахстан и планом научно-исследовательских работ Казахской головной архитектурно-строительной академии.
Целью диссертационной работы является разработка состава вяжущего с использованием отходов обогащения Текелийского и Карагайлинского горно-обогатительных комбинатов и изучение основных свойств бетонов на их основе.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- изучение химико-минералогического состава отходов обогащения Текелийского и Карагайлинского горно-обогатительных комбинатов и определения их активности;
- разработка оптимальных составов вяжущих веществ с добавкой отходов обогащения Текелийского и Карагайлинского горно-обогатительных комбинатов и определение строительно-технических свойств бетонов на их основе;
- исследование возможности получения вяжущего с применением отходов горно-обогатительных комбинатов;
- изучение основных свойств бетонов на основе разработанного вяжущего;
- разработка математической модели прогнозирования основных свойств бетона на основе вяжущего.
Научная новизна работы:
- разработана эффективная комплексная добавка на основе минерального адсорбента – отходов обогащения Текелийского и Карагайлинского горно-обогатительных комбинатов, микрокремнезема и суперпластификатора «Сикамент-FF-N». Показано, что введение в состав комплексной добавки микрокремнезема в количестве 30-50 % от массы отходов обогащения повышает пуццолановую активность в два раза;
- выявлена особенность воздействия разработанной комплексной добавки различного вещественного состава на прочность и другие физико-механические свойства цементных систем. Установлено, что суперпластификатор «Сикамент-FF-N» пластифицирует цементную систему, минеральные составляющие оказывают структурирующее действие; микрокремнезем повышает пуццолановую активность отходов обогащения и структурообразующую роль комплексной добавки;
- выявлен эффект воздействия добавок на морфологию и состав новообразований, обеспечивающий стабильность гидратных фаз. Морфология и генезис кристаллов цементного камня без добавок отходов ГОК представлены кристаллами портландита и -гидратом C2S, а с добавками ГОК, кроме этих гидратов, кристаллами С2S3H2 и -гидрата С2S и волокнистым гидросиликатом СSН (I). Пластинки Са(ОН)2, плотно срастаясь с цементным гелем, образуют его монолит и СН или область их взаимного прорастания;
- раскрыта пуццолановая реакция, как дополнительный источник образования стабильных гидросиликатов кальция, протекающая с поглощением выделяющегося при гидратации клинкерных минералов портландита кремнеземсодержащими добавками, обеспечивая, тем самым, остановку кристаллизации эттрингита в более поздние сроки твердения.
Практическая ценность работы:
- показаны возможность, целесообразность и эффективность использования отходов обогащения Текелийского и Карагайлинского горно-обогатительных комбинатов в качестве активной минеральной добавки, что способствует созданию энерго- и ресурсосберегающих технологий производства вяжущих и улучшению условий охраны окружающей среды;
- определены рациональные области их применения в строительстве.
Основные положения, выносимые на защиту:
- возможность получения вяжущих веществ на основе отходов горно-обогатительных комбинатов (ГОК);
- оптимизация составов бетонов с модифицированными добавками;
- результаты исследований строительно-технических свойств бетонов на основе вяжущих с применением отходов ГОК;
- технология производства вяжущего с применением отходов Текелийского и Карагайлинского ГОК и комплексных добавок.
Апробация работы и публикации: Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на международных научно-практических конференциях: «Химия в строительных материалах и материаловедение ХХ1 века» (Шымкент, 2008), «Теоретические и экспериментальные исследования строительных конструкций» (Алматы, 2008), «Архитектура и строительство в новом тысячелетий» (Алматы, 2008), «Инновационные и наукоемкие технологий в строительной индустрии» (Алматы, 2009), «Инновационные и наукоемкие технологии в строительной индустрии» (Алматы, 2010) и на республиканских научно-практических конференциях: «Современные композиционные строительные материалы» (Ташкент, 2008), «Строительная индустрия Казахстана: кадры, новые материалы и технологии» (Алматы, 2009).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 163 наименований, приложений. Работа изложена на 111 страницах, содержит 28 таблиц, 33 рисунка.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1 Состояние исследований в области технологии и применения бетонов на основе вяжущих с применением отходов обогащения Текелийского и Карагайлинского горно-обогатительных комбинатов
Большой вклад в развитие и становление бетонов с применением вяжущих, активизированных минеральными добавками внесли С.А. Архабаев, У.А. Аяпов, Ю.М. Бутт, Р.Б. Ергешев, З.А. Естемесов, Т.В. Кузнецова, З.М. Ларионова, В.Б. Ратинов, П.А. Ребиндер, В.И. Соловьев, А.Т. Сулейменов, В.В. Тимашев, М.М. Сычев, З.Б. Энтин, и др.
Установлено, что отходы промышленности, имеющие в своем составе труднорастворимые соли, могут быть активаторами твердения цементов в нормальных и в тепловлажностных условиях. Использование в качестве активизаторов отходов промышленности и горных пород позволяет повысить раннюю и 28 суточную прочность цементного камня соответственно на 15-40 и 20-70 %.
Широкое использование в строительстве бетонных и железобетонных конструкций и большой накопленный опыт эксплуатации зданий и сооружений показывают, что очень важно не только обеспечить заданные свойства бетона, но и сохранить их в течение всего периода эксплуатации. Развитие науки о бетоне и технологии сборного и монолитного железобетона способствовало существенному повышению долговечности бетона, улучшению его качества и прогнозированию поведения бетона в конструкциях при воздействии различных факторов. Появилась реальная возможность обеспечения длительной стабильности свойств материала в процессе эксплуатации.
Анализ литературных данных показывает, что устойчивость цементного камня ко всем видам химической коррозии существенно повышается. Активный кремнезем и алюмосиликатное стекло в добавке с применением отходов горно-обогатительных комбинатов взаимодействуют со щелочными оксидами, присутствующими в жидкой фазе цементного камня. Вовлечение щелочных оксидов в состав гидратных фаз препятствует их свободной миграции к поверхности бетона, тем самым ослабляется или полностью исключается высолообразование. Минеральные добавки способствуют более эффективному использованию химической энергии клинкера. При этом увеличивается количество устойчивых гидросиликатов за счет сокращения наиболее нестабильного компонента цементного камня - кристаллов Са(ОН)2, что важно для изготовления плотного и долговечного бетона.
Однако очень мало данных по использованию отходов цветной металлургии в качестве активной минеральной добавки. Перспективы применения цементов с добавками на основе отходов цветной металлургии, изучение возможности использования их в качестве добавки или наполнителя, а также исследование физико-механических свойств вяжущего на их основе представляют научный и практический интерес и являются одними из важнейших направлений на пути сокращения расхода сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в цементной промышленности.
- Сырьевые материалы и методика исследований
При проведении исследований в качестве сырьевых компонентов были использованы:
- портландцемент М400 цементного завода ТОО «Хайдельберг Восток Цемент»;
- щебень Алексеевского месторождения и керамзитовый гравий Текелийского завода КБИ;
- песок Николаевского месторождения;
- хвосты обогащения Текелийского и Карагайлинского горно-обогатительных комбинатов в качестве активной минеральной добавки и микрокремнезем;
- суперпластификатор «Сикамент-FF-N» для снижения В/Ц.
Использованные в работе материалы соответствовали требованиям нормативных документов, распространяющихся на их контролируемые свойства.
3 Оптимизация составов вяжущего с применением отходов горно-обогатительных комбинатов
Известны различные способы активации минеральных добавок и наполнителей. Однако системные исследования их в настоящее время еще не выявлены.
Пуццолановая активность отходов обогащения Текелийского и Карагайлинского горно-обогатительных комбинатов соответственно составляет 40,5 и 32,8 мг/г. Для повышения активности отходов обогащения в состав добавки добавляли микрокремнезем, улавливаемый при газоочистке на ряде металлургических производств, например, при производстве ферросплавов. Результаты исследований приведены в таблице 1.
Из таблицы 1 видно, что введение в состав отходов обогащения Текелийского ГОК микрокремнезема в количестве 30-50 % от общей массы отходов повышает их пуццолановую активность в два раза. Смешивание этих отходов с отходами Карагайлинского ГОК с микрокремнеземом позволяет повысить их пуццолановую активность также вдвое.
Таблица 1 – Пуццолановая активность комплексных добавок
| Состав комплексной добавки, % | Поглощение СаО, мг/г | ||
| отходы обогащения | микрокремнезем | ||
| Текелийского ГОК | Карагайлинского ГОК | ||
| 70 | - | 30 | 63,4 |
| 60 | - | 40 | 72,6 |
| 50 | - | 50 | 83,8 |
| - | 70 | 30 | 49,5 |
| - | 60 | 40 | 60,1 |
| - | 50 | 50 | 71,2 |
Содержание микрокремнезема в составе комплексной добавки рекомендуется в количестве 30 – 50 %. Увеличение его содержания в добавке способствует повышению водопотребности бетонной смеси или повышению количества пластифицирующей добавки. Наиболее оптимальным содержанием микрокремнезема в составе комплексной добавки является 40 %.
Оптимальное содержание комплексной добавки в составе вяжущего определяли по их влиянию на активность. Активность вяжущего через 28 сут нормального твердения составляет 40,5 МПа.
Оптимальное содержание в составе цемента комплексной добавки с применением отходов обогащения Текелийского горно-обогатительного комбината составляет 15 %, а с отходами обогащения Карагайлинского горно-обогатительного комбината – 20 %.
Определен фазовый состав многокомпонентного вяжущего и изучена морфология основных структурообразующих гидратов.
Процесс формирования структуры цементного камня (рисунок 1) проходит через растворение клинкерных минералов, кристаллизация гидратов протекает на границе фаз, т.е. на поверхности цементного зерна. Появление незначительных количеств кристаллов – продуктов гидратации С3А наблюдается через 3 ч и лишь через 7 ч наблюдается появление кристаллов наиболее разветвленной игольчатой формы.
а б
а - начальный период процесса гидратации (через 3 мин после затворения цемента с водой) х 24000; б - игольчатые кристаллы эттрингита (через 1 ч после начала процесса гидратации) х 2000
Рисунок 1 - Стадия процесса гидратации цемента с добавкой отходов обогащения Текелийского и Карагайлинского горно-обогатительных комбинатов
При введении в состав цемента добавок значительно изменяется скорость зарождения гидратов. Уже через 3 мин после затворения цемента с кальцийсодержащей добавкой появляются первые игольчатые новообразования, указывающие на интенсификацию процесса структурообразования добавкой. В дальнейшем рост кристаллообразования наблюдается не через 7 ч, а через I и 2 часа.
В цементном камне без добавки в основном наблюдаются кристаллы портландита, и -гидрата C2S (рисунок 2). В цементном камне с добавками кроме этих гидратов наблюдаются кристаллы С2S3H2 и -гидрата С2S. Кроме этих гидратов, в цементном камне с кварц- и карбонатсодержащими добавками обнаруживаются радиально расходящиеся от центра волокна гидросиликата СSН (1). Прозрачные кристаллы CSH (I) с размером 0,8-1,0 мкм накапливаются в крупные агрегаты с диаметром 3,0-3,5 мкм.
С увеличением срока твердения (до 180 сут) основная масса гидратов в цементном камне представляет собой композиционный материал из кристаллических и полукристаллических образований без определенной текстуры. При увеличении в 2000-4000 раз на поверхности цементного камня различимы беспорядочно распределимые участки с зернистой или глобулярной структурой, гладкие участки и области, имеющие волокнистую структуру. Причем, области с различным рельефом поверхности не является изолированными элементами структуры цементного камня.
а) х 20000 б) х 17000
а - кристаллы Са(ОН)2 и - гидрата С2S (цементный камень без добавки); б - скопление кристаллов СSН (1) (цементный камень с добавкой отходов обогащения Текелийского горно-обогатительного комбината)
Рисунок 2 - Основные структурообразующие фазы цементного камня,
гидратированного 90 сут
В цементном камне без добавки портландит наблюдается в порах в виде слоистых образований с выраженной спайностью и в объеме гелевидной фазы (рисунок 3).
В отличие от контрольного, в цементном камне с добавками, пластинки Са(ОН)2 плотно срастаются с цементной гелью, образуя монолит геля и СН или области их взаимного прорастания.
Добавка из отходов цветной металлургии в составе цемента, изменяет фазовый состав новообразований и их морфологию, оказывая значительное влияние на физико-механические свойства цементного камня и бетона.
Введение в состав вяжущего отходов обогащения Текелийского и Карагайлинского горно-обогатительных комбинатов снижает скорость структурообразования цементного теста. С увеличением срока твердения (до 90 суток) благодаря пуццолановым реакциям количество метастабильного Са(ОН)2 снижается более чем в два раза, при этом увеличивается количество гелеобразной CSH и - гидрата C2S, что приводит к увеличению прочности вяжущего с 15 %-ной добавкой отходов обогащения Карагайлинского горно-обогатительного комбината на 25 % по сравнению с контрольным цементом.
а) б)
а - микропоры цементного камня упакован кристаллами портландита; б - прорастание портландита гелевидной фазой цементного камня
Рисунок 3 - Разновидности кристаллизации портландита в цементном камне, гидратированного 180 сут, ув. х 2000
Структура цементного камня с добавками отходов обогащения Текелийского и Карагайлинского горно-обогатительных комбинатов за счет тесного переслоения части кристаллов эттрингита и портландита с гелевидными плотными CSH фазами, а также из-за уменьшения количества и размеров кристаллов Са(ОН)2 отличается более однородным строением от структуры контрольного цементного камня, что положительно влияет на прочностные свойства бетона.
4 Оптимизация составов бетона с применением вяжущих из отходов ГОК и определение их строительно-технических свойств
В соответствии с целью и задачами исследований были изучены и разработаны технологические мероприятия по оптимизации составов бетонов с применением вяжущих из отходов ГОК с микрокремнеземом и определены их строительно-технические свойства.
Таблица 2 – Оптимальные составы бетона
| Марка бетона | Расход материалов на 1 м3, кг | |||
| щебень | песок | вяжущее на основе отходов ГОК | воды | |
| 100 | 1200 | 660 | 210 | 180 |
| 200 | 1200 | 665 | 260 | 185 |
| 300 | 1200 | 640 | 300 | 190 |
| 400 | 1200 | 610 | 360 | 190 |
| 500 | 1200 | 600 | 420 | 195 |
Расчетно-экспериментальным методом подобраны составы бетонов марок 500 и 400. Оптимизация составов проведена исходя из среднего уровня прочности с учетом фактической однородности бетона. Оптимальные составы бетонов приведены в таблице 2.
Установлено, что расслаиваемость бетонной смеси на 60 % ниже, чем бетонной смеси без добавки. Водоотделение бетонной смеси снижается вдвое, что в целом повышает технологические свойства бетонной смеси (препятствует расслоению).
Из таблицы 3 видно, что прирост прочности бетонов марок 100, 150, 300, 400, 500 через 360 сут, твердения соответственно составляет 28, 20, 17, 17 и 9,8%.
Таблица 3 – Влияние возраста твердения на прочность бетона
| Марка бетона | Предел прочности при сжатии (МПа) бетона нормального твердения в возрасте (сут) | |||
| 28 | 90 | 180 | 360 | |
| 100 | 10,5 | 11,5 | 12,0 | 13,5 |
| 150 | 15,0 | 16,5 | 16,5 | 18,0 |
| 300 | 30,5 | 32,5 | - | 34,0 |
| 400 | 40,8 | 41,5 | - | 42,5 |
| 500 | 50,5 | 51,0 | - | 53,5 |
Результаты определения прочности бетона в 90-суточном возрасте твердения показывают, что прирост бетона марки 500 не значителен – всего 0,5 МПа, а бетонов М 100-250 составляет 9-11%.
Установлено, что после тепловлажностной обработки бетоны марки 100, 150, 300, 400 и 500 соответственно набирают 76, 83, 85, 84,7 и 87% от 28-суточной прочности. Предел прочности бетонов на растяжение при изгибе составляет 1,1-3,4 МПа, призменная прочность изменяется в пределах 7,8-27,0 МПа.
Коэффициент призменной прочности бетонов на основе вяжущего составляет 0,74-0,89.
Таким образом, бетоны по полученным характеристикам соответствуют требованиям существующих нормативных документов. Отсюда следует, что бетоны по прочностным и деформативным свойствам не имеют существенных отличий от обычных бетонов и могут применяться в жилищно-гражданском и промышленном строительстве.
Удельная поверхность, определяемая методом низкотемпературной адсорбции азота, характеризует структуру микрокапилляров.
Превышение удельной поверхности образцов на основе исследуемого вяжущего над удельной поверхностью поровых капилляров образцов, изготовленных из портландцемента, а также значительное уменьшение среднего диаметра пор (Д) и среднего размера каркаса (d) этих образцов в сравнении с эталонным указывает на существенную роль в создании мелкокристаллической микрокапиллярной структуры смешанных компонентов совместного воздействия. При этом удельная поверхность поровых капилляров и средний размер диаметра пор вяжущего соответственно составляет 5,8 и 0,0275, а портландцемента – 5,3 и 0,0381, а удельная поверхность портландцемента и вяжущего соответственно составляет 5,3 и 5,8 мг/г и средний размер диаметра пор -соответственно 0,0381 и 0,0275 мкм.
Наличие микрокапилляров в цементном камне косвенно характеризуется водопоглощением, определяемым по ускоренной методике в вакуум-эксикаторе. Водопоглощение образцов на основе портландцемента составляет 10,8%, а образцов на основе разработанного вяжущего равно 8,5%.
Изменение поровой структуры исследуемого вяжущего, заключающееся в увеличении гелевой и уменьшении капиллярной пористости, способствует проницаемости бетонов, что должно положительно сказываться на их морозостойкости.
Исследована морозостойкость бетонов марок 200, 300, 400 и 500 на основе разработанного вяжущего. Через 150 циклов попеременного замораживания и оттаивания коэффициент стойкости бетонов марок 200 и 300 соответственно составляет 0,78 и 0,82, но потеря массы более 5%. Коэффициент стойкости бетона на основе портландцемента через 150 циклов составил 0,73, а бетонов марок 400 и 500 на основе исследуемого вяжущего соответственно составил 0,79 и 0,85, потеря массы не более 4%.
Оптимальные составы тяжелых бетонов марок 500 и 400 имели следующий расход материалов на 1м3 бетона: М500: вяжущее - 420 кг, песок -600 кг, щебень- 1200 кг, вода – 195 л; М400: вяжущее - 360 кг, песок -610 кг, щебень- 1200 кг, вода – 190 л.
Фактическая средняя прочность бетона М500 (Rm) – 50,5 МПа, среднее квадратичное отклонение (Sm) – 0,59; коэффициент вариации (Vm) прочности бетона М500 – 5,62 %. Фактическая средняя прочность бетона М400 (Rm) – 30,1 МПа. Среднее квадратичное отклонение (Sm) – 0,96. Коэффициент вариации прочности бетона М400 (Vm) – 4,15 %.
Коэффициент вариации тяжелого бетона всех марок в соответствии требованиям ГОСТ 13015.0 «Конструкция и изделия бетонные и железобетонные сборные» должен быть не более 9 %. Полученные данные показывают, что подобранные составы бетонов по однородности прочности соответствует нормативным требованиям.
Применение отходов обогащения Текелийского горно-обогатительного комбината в тяжелом бетоне от 190-220 кг способствует снижению расхода цемента на 15 %, песка до 40 %.
Тяжелые бетоны марок 500 и 400 выдержали 400 циклов попеременного замораживания и оттаивания и удовлетворяют требованиям ГОСТ 10060.
5 Экономическая эффективность производства бетонов на основе вяжущего из отходов горно-обогатительного комбината
Эффективность производства бетонов с использованием отходов обогащения Текелийского горно-обогатительного комбината рассчитана следующим образом:
- изготовлены бетонные и железобетонные изделия с использованием отходов обогащения Текелийского горно-обогатительного комбината путем замены части цемента и мелкого заполнителя;
- за базу сравнения принят товарный бетон, выпускаемый на действующем предприятии бетонных и железобетонных изделий в г. Текели.
Экономическую эффективность определяли по разнице стоимости бетонной смеси на объем производства:
Э=(С1 – С2) ·А,
где: С1- стоимость 1 м3 бетонной смеси по традиционной технологии;
С2- стоимость 1 м3 бетонной смеси по разработанной технологии;
А- годовой объем выпуска товарного бетона, м3.
Э=(С1 – С2) ·А = (9970,0 – 9054,0) х 40000 = 36640000 тенге.
Таким образом, при производстве тяжелого бетона М200 на основе вяжущего с применением отходов ГОК предполагаемая годовая прибыль предприятия по предварительным подсчетам составит более 36 млн. тенге.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработана эффективная комплексная добавка на основе минерального адсорбента – отходов обогащения Текелийского и Карагайлинского горно-обогатительных комбинатов, микрокремнезема и суперпластификатора «Сикамент-FF-N». Показано, что введение в состав комплексной добавки микрокремнезема в количестве 30-50 % от массы отходов обогащения повышает пуццолановую активность в два раза.
2. Выявлена особенность воздействия разработанной комплексной добавки различного вещественного состава на прочность и другие физико-механические свойства цементных систем. Установлено, что суперпластификатор «Сикамент-FF-N» пластифицирует цементную систему, минеральные составляющие оказывают структурирующее действие; микрокремнезем повышает пуццолановую активность отходов обогащения и структурообразующую роль комплексной добавки.
3. Выявлен эффект воздействия добавок на морфологию и состав новообразований, обеспечивающий стабильность гидратных фаз. Морфология и генезис кристаллов цементного камня без добавок отходов ГОК представлены кристаллами портландита и -гидратом C2S, а с добавками ГОК, кроме этих гидратов, кристаллами С2S3H2 и -гидрата С2S и волокнистым гидросиликатом СSН (I). Пластинки Са(ОН)2, плотно срастаясь с цементным гелем, образуют его монолит и СН или область их взаимного прорастания.
4. Структура цементного камня с содержанием отходов обогащения Текелийского и Карагайлинского горно-обогатительных комбинатов за счет тесного переслоения части кристаллов эттрингита, портландита с гелевидными плотными CSH фазами, а также из-за уменьшения количества и размеров кристаллов Са(ОН)2 отличается более однородным строением от структуры контрольного цементного камня, что положительно влияет на прочностные свойства бетона.
5. Разработаны оптимальные составы тяжелых бетонов марок 500 и 400. Расход материалов на 1м3 бетона марки 500: вяжущее - 420 кг, песок -600 кг, щебень- 1200 кг, вода – 195 л; для марки 400: вяжущее - 360 кг, песок -610 кг, щебень- 1200 кг, вода – 190 л.
6. Фактическая средняя прочность бетона М500 (Rm) – 50,5 МПа, среднее квадратичное отклонение (Sm) – 0,59; коэффициент вариации (Vm) прочности бетона М500 – 5.62 %. Фактическая средняя прочность бетона М400 (Rm) – 30,1 МПа. Среднее квадратичное отклонение (Sm) – 0,96. Коэффициент вариации прочности бетона М400 (Vm) – 4,15 %.
Коэффициент вариации тяжелого бетона всех марок в соответствии требованиям ГОСТ 13015.0 «Конструкция и изделия бетонные и железобетонные сборные» должен быть не более 9 %. Полученные данные показывают, что подобранные составы бетонов по однородности прочности соответствуют нормативным требованиям.
7. Выявлена возможность, целесообразность и эффективность использования отходов обогащения Текелийского и Карагайлинского горно-обогатительных комбинатов в качестве активной минеральной добавки, что способствует энерго- и ресурсосбережению производства вяжущих и оздоровлению окружающей среды. Определены рациональные области их применения в строительстве.
8. Ожидаемый экономический эффект от внедрения технологии использования отходов обогащения Текелийского горно-обогатительного комбината путем замены части цемента и песка составляет 913 тенге с одного кубометра бетона.
Оценка полноты решения поставленных задач. По результатам теоретических и экспериментальных исследований проведены промышленные испытания, определена технико-экономическая эффективность технологических разработок по применению отходов ГОК для получения вяжущего вещества и бетонов на его основе, что позволяет считать полностью выполненными поставленные в диссертации задачи.
Разработка рекомендаций и исходные данные по конкретному использованию результатов. Разработанная технология по получению вяжущего на основе отходов ГОК и бетона на его основе, а также полученные результаты рекомендуются для внедрения на предприятиях стройиндустрии и в учебный процесс подготовки студентов по специальности «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».
Оценка технико-экономической эффективности внедрения. При внедрении технологии получения тяжелого бетона на основе вяжущего с применением отходов ГОК ожидаемая экономическая эффективность составит более 36 млн. тенге в год.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Предлагаемая работа по научно-практической значимости полностью соответствует современному научно-техническому уровню.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1 Шалтабаева С.Т., Жакипбеков Ш.К. Исследование влияния химических добавок на свойства бетона // Вестник КазГАСА.-Алматы, 2008.-№ 2.-С.146-149.
2 Жаыпбеков Ш.., Шалтабаева С.Т. Цемент ндірісінде техногенді алдытарды олдануды тиімділігі //Химия в строительных материалах и материаловедений в ХХI веке: материалы Междунар. научно-практ. конф. – Шымкент: ЮКГУ, 2008.-С. 64-70.
3 Шалтабаева С.Т., Жакипбеков Ш.К. Процессы гидратации многокомпонентного вяжущего вещества //Вестник КазГАСА.-Алматы, 2008.- № 4 (30).-С.98-103.
4 Жакипбеков Ш.К., Шалтабаева С.Т., Тобжанов Р. К. Активные минеральные добавки для цемента на основе техногенных отходов // Теоретические и экспериментальные исследования строительных конструкций: материалы Междунар. научно-практ. конф. –Алматы: КазГАСА, 2008.-С…..
5 Жакипбеков Ш.К., Шалтабаева С.Т., Тобжанов Р.К., Нусипбеков М. Механизм твердения модифицированных вяжущих веществ //Архитектура и строительство в новом тысячелетий: материалы Междунар. научно-практ. конф. – Алматы, 2008.-С 302-306.
6 Сулейменов А.Т., Жакипбеков Ш.К., Шалтабаева С.Т. Особенности процесса гидратации многокомпонентного цемента с добавкой отходов обогащения // Вестник НИИстромпроекта.-Алматы, 2008.-№3-4 (16).-С.32-37.
7 Жакипбеков Ш.К., Тобжанов Р.К., Шалтабаева С.Т. Бетоны на основе модифицированных вяжущих веществ //Теория и практика композиционных строительных материалов: материалы Республ. научно-практ. конф.-Ташкент, ТАСИ, 2008.-С.305-307.
8 Жакипбеков Ш.К., Шалтабаева С.Т. Вяжущие вещества с комплексной модифицирующей добавкой //Инновационные наукоемкие технологий в строительной индустрии: материалы Междунар. научно-практ. конф.- Алматы, КазГАСА, 2009.-С.15-19.
9 Шалтабаева С.Т., Сулейменов А.Т., Жакипбеков Ш.К. Особенности твердения модифицированных многокомпонентных вяжущих веществ // Поиск.-2009.-№3.-С.266-269.
10 Жакипбеков Ш.К., Шалтабаева С.Т. Исследование влияния комплексных добавок на процессы твердения цемента //Вестник НИИСтромпроекта.-2009.-№ 1-2 (2-18).-С.53-57.
11 Жакипбеков Ш.К., Шалтабаева С.Т., Алиев Б.З., Нусипбеков М.А. Влияние модифицированных добавок на свойства вяжущих веществ и бетона // Вестник НИИстромпроекта.-2009.-№ 5-6 (20).-С.88-91.
12 Шалтабаева С.Т., Сулейменов А.Т., Жакипбеков Ш.К. Физико-механические свойства с активизированной добавкой // Поиск.-2009.-№4.-С.268-271.
13 Жакипбеков Ш.К., Шалтабаева С.Т., Садуакасов М.С. Наноструктурированные композиционные материалы на основе многокомпонентного вяжущего // Строительная индустрия Казахстана: кадры, новые материалы и технологии: материалы Республ. научно-практ. конф. посвящ. 80-летию со дня рождения академика НИА РК Паримбетова Б.П., НИА РК-КазГАСА.-Алматы, 2009.-С.23-28.
14 Шалтабаева С.Т., Жакипбеков Ш.К. Модифицированные вяжущие вещества на основе отходов обогащения // Строительная индустрия Казахстана: кадры, новые материалы и технологии: материалы Республ. научно-практ. конф. Посвящ. 80-летию со дня рождения академика НИА РК Паримбетова Б.П., НИА РК-КазГАСА.-Алматы, 2009.-С.165-167.
15 Жакипбеков Ш.К., Шалтабаева С.Т. Особенности твердения многокомпонентных вяжущих веществ //Natural Science Edition, Journal of Xinjiang University. -2009. –Vol. 26, №4. – P. 503-504.
16 Жакипбеков Ш.К., Шалтабаева С.Т. Механохимическая активация многокомпонентного вяжущего вещества // Инновационные и наукоемкие технологии в строительной индустрии: материалы Междунар. научно-практ. конф.-Алматы, 2010.-Ч. 1.-С.26-30.
17 Жакипбеков Ш.К., Акмалаев К.А., Шалтабаева С.Т., Нусипбеков М. Высокопрочные бетоны на основе модифицированных вяжущих // Инновационные и наукоемкие технологии в строительной индустрии: материалы Междунар. научно-практ. конф.-Алматы, 2010.-Ч 1.-С.50-53.
18 Шалтабаева С.Т., Жакипбеков Ш.К. Пуццолановая активность отходов обогащения полиметаллических руд // Поиск.-2010.-№2.-С.274-276.
ТЙІН
Шалтабаева Салтанат Трарбекызы
«Тау-кен комбинаттарыны белсендірілген алдытары олданылан
бетондар жне байланыстырыштар»
05.23.05 – рылыс материалдары мен бйымдары
Жмысты масаты – полиметаллды кенді байыту алдытарын олдана отырып байланыстырыш рамын жасау жне оларды негізіндегі бетондарды негізгі асиеттерін оып зерттеу.
Жмысты идеясы – тау-кен комбинаттарыны кен байыту алдытарыны негізіндегі байланыстырышты зерттеу жне оны негізінде бетондар жасау.
Зерттеу нысаны. Зерттеу объектісі кешенді оспалы байланыстырыш жне оны негізіндегі бетондар болып табылады.
Зерттеу дістемелері. Жмыста трлі ндіріс алдытарын олдануды теориясын жне тжірибесін сараптайтын кешенді зерттеу дістемелері, рентгенофазалы, дериватографикалы, И-спектроскопты, петрографикалы дістер мен зерттеу нтижелерін жартылай ндірістік жне экономикалы сараптау олданылды.
ойылан масата жетуде келесі мселелер шешілді:
- Текелі жне араайлы тау-кен комбинаттарыны кен байыту алдытарыны химиялы-минерологиялы рамын оып зерттеу жне оларды белсенділігін анытау.
- Текелі жне араайлы тау-кен комбинаттарыны кен байыту алдытары осылан байланыстырыштарды отайлы рамдарын жасау жне оларды негізіндегі бетондарды рылысты-техникалы асиеттерін анытау;
- тау-кен комбинаттарыны алдытарын олдана отырып байланыстырыштар алу ммкіндігін зерттеу;
- алынан байланыстырыш негізіндегі бетондарды негізгі асиеттерін оып зерттеу;
- алынан байланыстырыш негізіндегі бетондарды негізгі асиеттерін болжауды математикалы моделін дйектеу.
орауа шыарылан ылыми тжырымдамалар:
- тау-кен комбинаттарыны (ТКК) алдытары негізінде байланыстырыштар алуды ммкіндігі;
- кешенді оспалы бетондарды рамын отайландыру;
- ТКК алдытары олданылан байланыстырыштар негізіндегі бетондарды рылысты-техникалы асиеттерін зерттеу нтижелері;
- кешенді оспалар олданылан байланыстырыш ндіруді технологиясы.
Жмысты ылыми жаалыы:
- Текелі жне араайлы тау-кен комбинаттарыны кен байыту алдытарын белсенді минералды оспа ретінде олдану ммкіндігі аныталды;
- Текелі жне араайлы тау-кен комбинаттарыны кен байыту алдытары осылан байланыстырыштарды гидратациялану процесстері мен рылымды тзілуі зерттелді;
- гидратты фазаны тратылыын амтамасыз ететін, жаа тзілімдерді морфологиясы мен рамына оспаларды сер ету тиімділігі аныталды;
- траты кальций гидросиликаттарын тзуді осымша кзі ретінде, клинкерлік минералдарды гидратациялануы кезінде блінетін портландитті жтуымен жзеге асатын, атаюды соы кезеінде эттрингитті кристалдануын тотатуды амтамасыз ететін, пуццоланды реакция ашылды.
Зерттеу нтижелері. 500 жне 400 маркалы ауыр бетондарды отайлы рамдары аныталды. 1м3 бетона кететін материалдар шыыны, М500 шін: байланыстырыш - 420 кг, м - 600 кг, иыршы тас - 1200 кг, су - 195 л; М400 шін: байланыстырыш - 360 кг, м - 610 кг, иыршы тас - 1200 кг, су - 190 л.
М500 бетоныны орташа беріктігі (Rm) – 50,5 МПа, орташа квадратты ауытуы (Sm) – 0,59, М 500 бетоны беріктігіні трлену коэффициенті (Vm) – 5.62 %. М400 бетоныны орташа беріктігі (Rm) – 30,1 МПа. Орташа квадратты ауытуы (Sm) – 0,96. М 400 бетоны беріктігіні трлену коэффициенті (Vm) – 4,15 %.
ндіріске енгізілу дрежесі. Эксперименталды зерттеулерді нтижелері бойынша, диссертациядаы ала ойылан міндеттерді толы орындалды деп санауа ммкіндік беретін, байланыстырыш жне оны негізіндегі бетондарды алу шін ТКК алдытарын одану бойынша технологиялы дйектемелерді теникалы-экономикалы тиімділігі аныталды.
олданылу аясы. ТКК алдытары негізінде байланыстырышты жне оны негізіндегі бетонды алу бойынша дйектелген технология, сонымен атар алынан нтижелер рылыс индустриясыны ксіпорындарына жне рылыс материалдарын, бйымдарын жне конструкцияларын ндіру мамандыы бойынша студенттерді дайындау шін оу процесіне енгізуге сынылды.
Экономикалы тиімділігі. ТКК алдытары олданылан байланыстырыш негізіндегі ауыр бетонды алу технологиясын енгізу кезіндегі ктілген экономикалы тиімділік жылына 36 млн. тегені райды.
Зерттеу нысанын болашата дамыту болжамы. сынылан жмыс ылыми-тжірибелік мні бойынша заманауи ылыми-техникалы дегейге сйкес келеді.
SUMMARY
Saltanat Shaltabayeva
05.23.05 – Building materials and products
The purpose of - the development of a hardening with the tailings of polymetallic ores and study the basic properties of concretes based on them.
The idea of - study of hardening on the basis of tailings mining and processing and production of concrete with the use of it.
The object of study. Object of study is a hardening with a complex admixture and concrete based on it.
Research methods. The complex method of research, including the analysis of practice of utilization of different wastes, methods of rentgenophase, tree graphics, is used in work, IKSpektroskopichesk and petrographic analyses, economic analysis and semi industrial tests of results of isle.
Scientific positions, taken away on defense:
- study of chemical and mineralogical composition of tailings Tekeli and Karagaily mining and processing and determination of their activity;
- development of optimal formulations of bin hardening der with the addition of tailings Tekeli and Karagaily mining and processing and the definition of construction and engineering properties of concretes based on them;
- the development of a hardening with the tailings of polymetallic ores;
- study main properties of concretes with hardening based on the wastes of waste enrichment Tekeli Mining and Processing Plant;
- obtaining a mathematical model predicting the main properties of concrete based on a wastes enrichment Tekeli GOK.
On protection following scientific positions:
- the possibility of hardening on the basis of waste mining and processing (Mining);
- results of studies of construction and technical properties of concrete on the basis of hardening with mine waste;
- technology of production of a hardening with functional additives.
Scientific novelty:
- the processes of hydration and structure of hardening additives tailings Tekeli and Karagaily mining and processing;
- revealed the effect of additives on the morphology and composition of the tumor, providing the stability of hydrate phases;
- disclosure of pozzolanic reaction, serving as an additional source of stable hydro calcium, which flows to the absorption released during the hydration of clinker minerals portlandit silica additives, providing, thus stopping the crystallization of ettringite in the later stages of hardening.
Results.
The optimum compositions of heavy concrete grades 500 and 400. Consumption of materials in 1m3 of concrete mark 500: hardening - 420 kg, 600 kg of sand, gravel - 1200 kg, water - 195 l ; mark 400: hardening - 360 kg, 610 kg of sand, gravel - 1200 kg, water - 190 l.
The average strength of concrete M500 (Rm) - 50,5 MPa, mean square deviation (Sm) - 0,59; coefficient of variation (Vm) strength of concrete M 500 - 5.62%. The actual average strength of concrete M 400 (Rm) - 30,1 MPa. The mean square deviation (Sm) - 0,96. The coefficient of variation of concrete strength M 400 (Vm) - 4,15%.
Assessment of completeness the task. According to the results of theoretical and experimental studies have been conducted industrial tests, define the technical and economic efficiency of technological developments on the application of mine waste to produce a hardening and concrete based on it, which makes fully carrying out its tasks in the thesis.
Development of recommendations and background information on particular use of the results. The technology developed to obtain a hardening on the basis of mine waste and modified concrete based on it, as well as the results obtained are recommended for implementation at the enterprises of building industry and the educational process for the preparation of students majoring in production of building materials, products and designs.
Evaluation of technical and economic efficiency of implementation. When introducing the technology of heavy concrete-based hardening with waste mine expected economic efficiency will be more than 36 million tenge in the year.
Evaluation of the scientific level of work performed in comparison with the best achievements in this field. The proposed work on scientific and practical importance of fully consistent with modern scientific and technical level.
ШАЛТАБАЕВА САЛТАНАТ ТУРАРБЕКОВНА
Бетоны и вяжущие с использованием активизированных
отходов горно-обогатительных комбинатов
Специальность: 05.23.05 – строительные материалы и изделия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано к печати «3» ноября 2010 г
Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Ризограф.
Усл.печ.л.1,2 п.л. Уч. изд. л. 1,5. Тираж 100 экз.
заказ № 1510
Издание Казахской головной архитектурно-строительной академии
Издательский дом «Строительство и архитектура»
Адрес: 050043 г. Алматы, ул. Рыскулбекова, 28
