Конструкционно-теплоизоляционный автоклавный газобетон на основе высококальциевой золы тэц
На правах рукописи
Гильмияров Руслан Игоревич
КОНСТРУКЦИОННО-ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ АВТОКЛАВНЫЙ ГАЗОБЕТОН НА ОСНОВЕ ВЫСОКОКАЛЬЦИЕВОЙ ЗОЛЫ ТЭЦ
05.23.05 - Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание
ученой степени кандидата технических наук
Новосибирск 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования « Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова»
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Овчаренко Геннадий Иванович |
| Официальные оппоненты: | Пичугин Анатолий Петрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теоретической и прикладной физики» Новосибирского государственного аграрного университета Игнатова Ольга Арнольдовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные материалы и специальные технологии» Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин) |
| Ведущая организация: | ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (г. Томск) |
Защита состоится «30» мая 2012 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.171.02 при Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин) по адресу: 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113, НГАСУ (Сибстрин), учебный корпус, ауд. 239, e-mail: [email protected].
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин).
Автореферат разослан « 28 » апреля 2012 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор |  | А.Ф. Бернацкий |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время в производстве строительных материалов предусматривается преимущественное развитие технологий, обеспечивающих снижение стоимости, материалоемкости и трудоемкости строительства, а также повышающих теплоэффективность зданий. С этих позиций широкое развитие получили ячеистобетонные изделия, в том числе и автоклавного твердения. Вместе с тем, изготовление качественного автоклавного газобетона требует существенных энергетических и материальных затрат. Желание производителей сэкономить на сырьевых материалах и автоклавной обработке приводит к получению ячеистого бетона с повышенной усадкой, пониженной теплоэффективностью, морозостойкостью и стойкостью во влажных условиях.
Автоклавная технология производства позволяет полностью или частично заменить постоянно возрастающие в цене традиционные вяжущие вещества, такие как известь и портландцемент, недефицитным сырьем – золами от сжигания твердых топлив.
Разработанные ранее технологии газобетонов на основе высококальциевых зол ТЭЦ от сжигания канско-ачинских углей были направлены на максимальное их введение в сырьевые смеси. Это повлекло за собой сложные технологические решения (постоянное изменение дозировок и технологических режимов в соответствии с колебаниями свойств зол, интенсивное их измельчение или предварительное запаривание и др.). Кроме этого предложенные решения практически невозможно было применять в условиях реальных производств.
С другой стороны, многие заводы ячеистых бетонов в РФ, особенно с оборудованием, произведенным в Польше, неоднократно выработали ресурс собственного известкового производства и требуют либо серьезного технического перевооружения этого передела, либо перевода заводов на покупную товарную известь.
Поэтому потребовалась разработка технологии автоклавного газобетона на основе высококальциевых зол ТЭЦ, обеспечивающая получение материала со стабильно высокими строительно-техническими и теплофизическими свойствами с существенной экономией извести.
Работа выполнялась в рамках гранта РФФИ 10-08-98028 р_сибирь_а «Исследование закономерностей фазо- и структурообразования цементных строительных материалов с применением высококальциевых зол ТЭЦ».
Цель работы. Разработка технологии производства конструкционно-теплоизоляционного автоклавного газобетона с частичной или полной заменой извести на высококальциевые золы ТЭЦ от сжигания канско-ачинских углей для получения материала с улучшенными строительно-техническими свойствами.
Задачи исследования.
- Изучить исходные свойства сырьевых материалов.
- Разработать оптимальный состав сырьевой смеси и технологию производства автоклавного газобетона на основе высококальциевой золы ТЭЦ.
- Исследовать строительно-технические свойства материала и оценить влияние статистики колебаний состава высококальциевых зол на его свойства. Уточнить оптимальные составы материала и технологические режимы производства.
- Исследовать фазовый состав автоклавного ячеистого материала на основе извести, цемента, высококальциевой золы ТЭЦ и кварцевого шлама, а также оценить их влияние на технологию и свойства газобетона.
- Провести заводское опробование оптимальных составов и на основе полученных результатов оценить возможность внедрения в технологический процесс изготовления автоклавного газобетон на основе золо-цементных композиций.
Научная новизна. Разработана технология конструкционно-теплоизоляционного автоклавного газобетона на основе высококальциевых зол ТЭЦ от сжигания канско-ачинских углей при совместном их домоле с портландцементом, позволяющая уменьшить энергозатраты на помол на 25 % и получить материал с более высокими характеристиками при экономии от 90 % до 100 % извести и до 20 % портландцемента. При этом установлено:
- оптимальные составы разработанной сырьевой смеси для автоклавного газобетона содержат (% масс.): портландцемент - 14,8…20,5, известь – 0…2, молотый кварцевый песок – 59, высококальциевая зола - 18,5…24,9;
- предложено стабилизировать характеристики газобетона, получаемого из зол с пониженной основностью и содержанием СаОсвоб менее 3,5 %, добавкой 2 % (масс.) товарной извести;
- повышенные характеристики полученного газобетона в основном обусловлены образованием Al-замещенного тоберморита, ксонотлита, катоита, гелеобразной фазой C-S-H при отсутствии портландита, который значительно снижает характеристики материала классического состава.
Практическая значимость. Разработанная рецептура сырьевой смеси и технология производства конструкционно-теплоизоляционного газобетона позволили получать газобетонные блоки плотностью 700 кг/м3 с высокими и стабильными строительно-техническими свойствами, превышающими свойства заводских изделий.
Разработанная технология позволила отказаться от собственного производства извести на заводах ячеистого бетона, а участок помола извести использовать для домола золы и цемента с получением золо-цементной композиции.
Реализация работы. Выпуск опытной партии на ЗАО «Завод ячеистых бетонов» (г. Барнаул) подтвердил эффективность изготовления газобетонных изделий из предложенных золо-цементных композиций по разработанной технологии, соответствующих требованиям ГОСТ 31359 – 2007 «Бетоны ячеистые автоклавного твердения. Технические условия».
Экономический эффект от внедрения разработанной технологии в производстве 1 м3 конструкционно-теплоизоляционного газобетона плотностью D 700 составляет от 199 до 302 рублей в зависимости от состава сырьевой смеси.
На защиту выносится:
- выбор оптимальных составов сырьевой смеси и технологических режимов для производства золосодержащего автоклавного газобетона;
- результаты сравнительных исследований строительно-технических и теплофизических свойств разработанного и классического газобетонов;
- особенности формирования фазового состава в золо-цементно-кварцево-известковых композициях;
- результаты опытно-промышленной апробации технологии автоклавного золо-цементного газобетона.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на всероссийской конференции «Современные проблемы производства и использования композиционных строительных материалов» (г. Новосибирск, 2009 г.); на всероссийской научно-практической конференции «Строительное материаловедение сегодня: актуальные проблемы и перспективы развития» (г. Челябинск, 2010 г.); на ХV Академических чтениях РААСН на международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (г. Казань, 2010 г); на всероссийской научно-практической конференции «Техника и технология теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (г. Бийск, 2010 г.); на всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития строительного материаловедения: энерго- и ресурсосбережение в строительстве» (г. Челябинск, 2011 г.); а также на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава АлтГТУ (г. Барнаул, 2008 – 2011 гг.).
Публикации. Результаты исследований изложены в 9 научных публикациях, в том числе в двух статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, содержит 155 страниц основного текста, 15 таблиц, 57 рисунков, список литературы из 114 источников и 1 приложение.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы и дается её общая характеристика.
В первой главе приведен анализ литературы, посвященной вопросу разработки технологии автоклавного газобетона на основе высококальциевых зол ТЭЦ. При этом даны понятия об ячеистых бетонах и технологиях их производства, рассмотрены как актуальные вопросы изготовления, так и свойства ячеистых бетонов, факторы, их обусловливающие.
Достаточное внимание уделено рассмотрению состава и свойств высококальциевых зол ТЭЦ от сжигания канско-ачинских углей, статистическим взаимосвязям между их составом и свойствами. На основе анализа публикаций таких исследователей, как Волженский А.В., Боженов П.И., Оямаа Э.Г, Галибина Е.А., Безверхий А.А., Овчаренко Г.И. и др., показаны возможность и преимущества использования высококальциевых зол в производстве автоклавных ячеистых бетонов.
Основное препятствие при использовании золы как сырья для производства строительных материалов является содержание в ней свободной извести в состоянии пережога и иногда – повышенное содержание периклаза. Другое препятствие - это широкий разброс состава высококальциевой золы, определяющий значительные колебания свойств (прочности, средней плотности, морозостойкости и т.д.) готового материала.
Исследователи, занимавшиеся вопросом максимального использования высококальциевой золы для производства ячеистых бетонов, мало учитывали фактор изменчивости состава и свойств золы. Поэтому существовавшие производства зольного газобетона характеризовались значительным процентом брака (до 50 %) за счёт высокой вариации свойств готовых изделий, другими технологическими проблемами. По результатам литературного обзора сделаны выводы, а также сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе (Характеристика сырьевых материалов и методы их исследования) приводится описание методик, применявшихся в исследованиях, а также характеристики использованных материалов.
При определении свойств исходных материалов (портландцемента, высококальциевой буроугольной золы ТЭЦ, извести и песка, а также газобетонной смеси и образцов из нее) применялись как стандартные методы испытаний, соответствующие ГОСТам и другим нормативным документам, так и оригинальные методики по определению СаОсвоб, теплоты гидратации. Гранулометрический состав золы микронной области размеров определяли на лазерном гранулометре SALD-2101 Laser Diffraction Particle Size Analyzer (SHIMADZU, Japan). Определение пластической прочности газобетонного массива проводилось с помощью конического пластометра П.А. Ребиндера.
При исследовании фазового состава были использованы: дифференциально-термический анализ (DТА), совместно с методом дифференциальной термогравиметрии (DТА-DTG) с проведением анализа в неокислительной среде, рентгенофазовый анализ (РФА), который проводился на дифрактометре ДРОН–3. Идентификацию фаз осуществляли по общепринятым методикам с использование отечественной литературы и зарубежной информационной базой Mineral Data. Статистическую обработку экспериментальных данных проводили на компьютере с помощью программы "STATISTICA" в составе пакета прикладных программ Math Cad.
В исследованиях применялась высококальциевая зола ТЭЦ–3 г. Барнаула, полученная при сжигании бурых канско-ачинских углей в парогенераторах с жидким шлакоудалением. Золы отбирались с электрофильтров в разное время с 2008 по 2011 годы. Эти золы представляют собой обожженную минеральную часть бурых углей Назаровского и Ирша-Бородинского разрезов Канско-Ачинского бассейна. Гранулометрический состав высококальциевых зол Барнаульской ТЭЦ – 3 характеризуется средним диаметром частиц около 30 мкм. Физико-химические и строительно-технические свойства используемых в работе проб зол в большинстве своём находились в рамках известных значений, характерных для зол этого типа.
В качестве вяжущего использовался портландцемент М400 Д20 Голухинского цементного завода и известь строительная 3 сорта с содержанием активных CaO и MgO около 70 %, производимая на Барнаульском «Заводе ячеистых бетонов». В качестве кремнеземистого компонента для производства автоклавного газобетона использовался молотый кварцевый песок Черемновского месторождения.
В процессе проведения исследований изготавливался золопортландцемент путем совместного помола портландцемента и высококальциевой золы в лабораторной шаровой мельнице МБЛ – 5.
В третьей главе (Разработка составов и исследование строительно-технических свойств автоклавного газобетона на основе высококальциевой золы ТЭЦ) проводится подбор состава сырьевой смеси для производства автоклавного газобетона с использованием высококальциевых зол ТЭЦ, а также приводятся результаты оптимизации составов и технологических режимов изготовления золо-цементного газобетона и закономерности изменения их строительно-технических свойств.
Как известно, классическая автоклавная технология из известково-кварцевых смесей имеет ряд недостатков, которые отрицательно сказываются на конечных свойствах материала. В первую очередь, это низкая влаго- и морозостойкость материала. Пониженные свойства автоклавного материала часто обусловлены неполным прохождением реакций между известью и кварцем. В такой системе всегда присутствует остаточный портландит. Для его полного связывания необходимо увеличивать тонкость помола кварцевого компонента, температуру и время автоклавной выдержки изделий, что часто экономически нецелесообразно.
С другой стороны, чтобы избежать этих отрицательных моментов, можно применять кальцийсодержащие материалы, в которых известь в основном находится не в свободном виде, а уже связана с кремнеземом и другими оксидами в различных фазах. Это позволяет в процессе автоклавной обработке перестроить кальцийсодержащие фазы в соответствующие гидросиликаты кальция и другие гидратные фазы.
Поэтому можно ожидать, что применение высококальциевых зол в производстве автоклавного газобетона позволит получить более качественный материал в сравнении с известково-кварцевыми композициями.
Как было отмечено в главе 1, применение высококальциевых зол от сжигания канско-ачинских углей в чистом виде затруднительно как из-за большой доли свободной пережженной извести, так и широкого разброса свойств зол, требующих постоянного изменения параметров технологии. Поэтому в работе за основу была принята золо-цементно-кварцевая композиция со сниженным расходом товарной извести. Преимуществом такой композиции является то, что получаемый автоклавный газобетон менее чувствителен к колебаниям свойств различных партий зол.
Учитывая, что при помоле свойства золы улучшаются, зола совместно с готовым портландцементом размалывалась в соотношении 50/50, 60/40 и 70/30 (по массе). Полученной золо-цементной композицией в составе газобетона замещались 100 % цемента и от 50 до 100 % извести. Количество кварцевого песка в составах золосодержащего газобетона оставалось таким же, что и у контрольного состава, изготовленного на основе извести, цемента и кварцевого шлама.
В качестве контрольного был принят состав конструкционно-теплоизоляционного автоклавного газобетона средней плотности 700 кг/м3 Барнаульского завода ячеистых бетонов со следующим расходом сырьевых компонентов, кг/м3 (масс. %): портландцемент – 130 (21%); известь – 135 (20 %); молотый кварцевый песок – 380 (59 %).
На первом этапе работы осуществлялся подбор составов сырьевой смеси для производства автоклавного газобетона. В качестве критерия оптимизации была выбрана прочность газобетона при сжатии (рис. 1).
Рисунок 1 - Зависимость прочности при сжатии автоклавного газобетона
плотностью 700 кг/м3 от состава сырьевой смеси.
Дальнейший эксперимент производился на составах, позволяющих получить максимальную прочность, а именно, на золо-цементных композициях с добавлением извести от 0 до 50 % (от содержания извести в контрольном составе).
В работе были изучены особенности вспучивания и кинетика развития пластической прочности золосодержащих композиций. В результате эксперимента установлено, что использование золо-цементной композиции вместо извести позволяет увеличить высоту вспучивания от 10 % до 30 %. Дополнительное введение 10 % извести не оказывает влияния на процесс газообразования. Дальнейшее увеличение извести до 50 % приводит к снижению высоты вспучивания и при этом наблюдается расслоение исходной смеси с образованием крупных воздушных каверн диаметром до 2 см за счет асинхронности процессов вспучивания и схватывания массива.
От ускоренного структурообразования газобетонных смесей зависит время нахождения массива в форме до распалубки и резки. Поэтому исследование реологических характеристик таких систем является обязательным этапом. Как видно из рис. 2, экспериментальные составы обеспечивают более ранний набор структурной прочности в 2,5 кПа в среднем на 20-30 минут в зависимости от состава.
а) б)
Рисунок 2 – Зависимость изменения пластической прочности газобетонного массива от вида сырьевой смеси на основе золо-цементой композиции
с содержанием высококальциевой золы 50 % (а), 60 % (б).
При использовании высококальциевых зол с низким содержанием суммарной (открытой и закрытой) свободной извести золы (СаОсвсумм менее 3,5 %) наблюдается замедленный набор пластической прочности и для достижения требуемого значения прочности, равного 2,5 кПа, необходимо дополнительно вводить известь в количестве 10 % (13 кг/м3) от ее первоначальной массы в контрольном составе.
Результаты исследований по определению оптимального состава газобетона при разных параметрах автоклавной обработки (давление - 0,8…1 МПа, время изотермической выдержки – 6..10 ч) приведены на рис. 3.
Исследования свойств газобетона проводились на следующих составах (% масс.):
- ПЦ - 20,5; БУЗ - 20,5; П - 59 (условное обозначение состава: БУЗ 50 % + ПЦ 50 %);
- ПЦ - 16,45; БУЗ - 24,9; П - 59 (условное обозначение состава: БУЗ 60 % + ПЦ 40 %);
- ПЦ - 18,5; БУЗ - 18,5; И – 2; П - 59 (условное обозначение состава: БУЗ 50 % + ПЦ 50 % + И 10 %);
- ПЦ - 14,8; БУЗ - 22,2; И – 2; П - 59 (условное обозначение состава: БУЗ 60 % + ПЦ 40 % + И 10 %).
Примечание: ПЦ – портландцемент; БУЗ – буроугольная зола; П – песок; И – известь.
Образцы твердели в автоклаве при давлении насыщенного пара 1 МПа, изотермическая выдержка составляла 10 часов.
В связи с тем, что одним из основных компонентов газобетонной смеси является буроугольная зола ТЭЦ, которая имеет состав и свойства, колеблющиеся в довольно широких пределах, необходимо было статистически проверить работоспособность оптимальных составов для производства автоклавного газобетона.
Рисунок 3 – Прочность автоклавного газобетона плотностью 700 кг/м3
в зависимости от состава сырьевой смеси.
С этой целью на 9 пробах буроугольных зол ТЭЦ – 3 г. Барнаула (отобранных в различное время с 2008 по 2011 год) были изготовлены блоки из автоклавного газобетона. В результате проведенного эксперимента были построены статистические модели прочности при сжатии газобетона.
На рис. 4 представлена графическая модель изменения прочности при сжатии золосодержащего автоклавного газобетона от количества свободного суммарного (открытого и закрытого) оксида кальция и количества буроугольной золы в составе золо-цементной композиции.
Рисунок 4 - Зависимость прочности при сжатии золосодержащего
автоклавного газобетона от количества свободного суммарного
оксида кальция и количества буроугольной золы в составе ЗПЦ.
Сравнивая прочностные характеристики газобетона, можно проследить, что увеличение содержания CaOсумсв ведет к постоянному повышению прочности при сжатии. При низком содержании в золе
CaOсумсв увеличение количества золы в составе золопортландцемента с 50 % до 60 % позволяет повысить прочность автоклавного газобетона. Полученная зависимость объясняется тем, что содержание свободной извести в золе пропорционально её основности, а более основная зола обеспечивает синтез большего количества гидратных фаз.
Для достижения высоких прочностных характеристик при использовании высококальциевых зол с низким содержанием CaOсумсв необходимо введение товарной извести в количестве 10 % от ее первоначальной массы в контрольном составе.
Прочность при изгибе является наиболее структурно - чувствительным показателем свойств неорганических материалов и на ее значение оказывает сильное влияние не только пористость материала, но и фазовый состав новообразований в цементирующей связке автоклавных газобетонов.
В результате проведенного эксперимента установлено, что использование золо-цементных композиций для изготовления автоклавных газобетонов приводит к повышению как прочности при сжатии, так и при изгибе (рис. 5) по сравнению с контрольным классическим составом на основе извести, цемента и кварцевого песка. Кроме этого предложенные составы выдерживают 35 циклов попеременного замораживания и оттаивания. В то время как контрольный классический состав на основе извести, цемента и кварцевого песка не выдерживает 35 циклов, потому что в его составе после автоклавной обработки остается портландит в значительном количестве. Марка по морозостойкости у контроля составляет F25.
Рисунок 5 - Зависимость прочности при изгибе автоклавного газобетона
плотностью D700 от состава сырьевой смеси.
В качестве главных критериев долговечности выступает не только морозостойкость, но и атмосферо- и карбонизационная стойкость, а так же усадка при высыхании.
В результате проведенного эксперимента по определению стойкости в условиях попеременного высушивания и увлажнения установлено, что более интенсивное разрушение при попеременном высушивании-увлажнении наблюдается у контрольных образцов. Золосодержащие образцы автоклавного газобетона как с добавлением 10 % извести, так и без нее выдерживают 20 циклов попеременного высушивания и увлажнения без образования трещин. При этом усадка образцов (при попеременном высушивании и увлажнении) разных составов находится в пределах от 0,16 мм/м до 0,26 мм/м. Все составы из золо-цементной композиции имеют усадочные деформации меньше, чем контрольный заводской состав (0,35 мм/м).
Установлено, что наибольшей усадкой при высыхании (1,3 мм/м) при температуре 19…21 0С и относительной влажности 50-70 % обладают изделия из контрольного заводского газобетона. Применение золо-цементных композиций как без добавления извести, так и с добавкой 10 % извести приводит к снижению усадки на 22-35 % по сравнению с контрольным составом газобетона. Полученные значения усадочных деформаций находятся в пределах 0,61-0,70 мм/м (рис. 6).
Рисунок 6 – Изменение усадки при высыхании во времени в зависимости
от состава сырьевой смеси газобетона.
Кроме усадки при высыхании бетон подвергается усадке за счет карбонизации. Для того чтобы выявить значение усадки при карбонизации, все составы подвергались принудительной карбонизации в течение 72 ч при давлении 0,15 МПа.
Результаты проведенных испытаний показали, что золосодержащие составы после карбонизации имеют как незначительное расширение, так и усадку до 0,5 мм/м. Значение карбонизационной усадки контрольного состава при этом составляет более 2 мм/м.
Степень карбонизации легко определяется при обработке свежего излома бетона фенолфталеином. При этом Са(ОН)2 приобретает малиновый цвет, в то время как карбонизованный участок бетона не окрашивается. Проведенные испытания показали, что карбонизация во всех составах прошла полностью.
Искусственная карбонизация автоклавного газобетона может приводить не только к изменению линейных деформаций материала, но и к уменьшению прочностных показателей при сжатии, а особенно при изгибе, появлению трещин.
В результате проведенного эксперимента установлено, что искусственная карбонизация практически не приводит к изменению показателей прочности при изгибе, а на образцах не зафиксировано появления каких-либо трещин. Предел прочности при сжатии в золосодержащих составах незначительно снижается или остается такой же, как и до карбонизации.
Все стеновые материалы, используемые для возведения стен зданий и сооружений, должны подвергаться испытанию на теплопроводность, которая для сухих газобетонов колеблется от 0,13 до 0,23 Вт/(моС) и находится в линейной зависимости от их средней плотности.
Теплопроводность газобетона определялась методом стационарного теплового потока. Результаты эксперимента показали, что теплопроводность автоклавного цементно-зольного газобетона колеблется в пределах 0,15-0,16 Вт/(м·0С) в зависимости от состава сырьевой смеси и полученной средней плотности бетона.
В четвертой главе (Формирование фазового состава автоклавного ячеистого материала на основе высококальциевой золы ТЭЦ, цемента и кварцевого песка) приводятся результаты исследования особенностей формирования фазового состава автоклавированного камня на основе высококальциевой золы, портландцемента, молотого кварцевого песка и извести. Кроме этого дается обоснование влияния компонентов сырьевой смеси на фазовый состав камня и свойства материала.
Были изучены фазовые составы после автоклавной обработки у исходных материалов, а именно: у высококальциевой золы до и после помола и с дополнительным введением тонкомолотого кварцевого песка и извести, а также у составов с наиболее высокими прочностными характеристиками. А именно: у золо-цементно-кварцевой композиции с различным содержанием золы (от 50 % до 70 %), а также с дополнительным введением извести 10 % и 50 %. В качестве контрольного состава была принята известково-цементно-кварцевая композиция заводского состава.
Анализируя результаты рентгенофазового и дифференциально-термического анализа установлено, что вещественный состав автоклавированного камня из высококальциевой золы ТЭЦ характеризуется большим разнообразием новообразований, которое, в том числе, зависит и от помола золы. Если новообразования в образцах из немолотой золы представлены, главным образом, тоберморитом и гидрогранатом - катоитом, то в образце с домолотой золой тоберморит замещается в большинстве на CSH (I) и ксонотлит с сохранением катоита. При дегидратации тоберморита не наблюдается перехода в волластонит.
Добавление к золе молотого кварцевого песка приводит к усилению выше отмеченной тенденции: тоберморит исчезает, а вместо него обнаруживается CSH (I), ксонотлит, фошагит, гиролит и окенит.
Исследование фазового состава контрольной газобетонной массы на основе извести, портландцемента и кварцевого шлама показывает, что в автоклавированном образце по данным РФА в этой системе фиксируются: тоберморит (Ca5[Si3O8(OH)]2·2-5H2O) d/n = (11,48; 5,45; 3,53; 3,08 и др.)10-10 м, портландит Са(ОН)2 d/n = (4,92; 2,63; 1,93; 1,8)10-10 м, C-S-H (I) d/n = (3,08; 2,80; 1,82)10-10 м, C-S-H (II) d/n = (3,08; 2,80; 2,0; 1,82; 1,57)10-10 м, гидрогранат катоит (Ca3Al2(SiO4)0-1.5(OH)6-12) d/n = (5,06; 3,33; 2,80; 2,75; 2,46; 2,28 и другие)10-10 м и другие гидрогранаты d/n = (5,06; 2,44; 2,32)10-10 м, C2SH (А) (альфа гидрат C2S) d/n = (5,45; 3,86; 3,53; 2,43; 1,98; 1,9)10-10 м, ксонотлит (Ca6Si6O17(OH)2) d/n = (4,25; 3,25; 3,08; 2,0)10-10 м (рис. 7, рентгенограмма 1).
В золо-цементно-кварцевом камене с содержанием выскокальциевой золы 50 % от массы цемента при отсутствии товарной извести по результатам РФА отмечается незначительное увеличение интенсивности пиков, характерных для ксонотлита d/n = (4,27; 3,67; 3,25; 3,09; 2,82; 2,01)10-10 м, тоберморита d/n = (11,63; 5,47; 3,52; 3,09; 2,98; 2,81)10-10 м, C-S-H (I) d/n = (3,09; 2,81; 1,82)10-10 м, C-S-H (II) d/n = (3,09; 2,81; 2,0; 1,82; 1,57)10-10 м, катоита d/n = (5,08; 4,4; 3,34; 2,81; 2,53; 2,46; 2,28; 2,01; 1,72; 1,67)10-10 м, а также наблюдается афвиллит (Ca3(SiO3)2(OH)22H2O) d/n = (6,48; 3,25; 3,20; 2,82; 2,13)10-10 м и гиллебрандит (Ca6Si3O9(OH)6) d/n = (3,34; 3,05; 2,94; 2,82; 1,82)10-10 м (рис. 7, рентгенограмма 2).
Рисунок 7 – Рентгенограмма продуктов гидратации автоклавированного камня:
1 - известково-цементно-кварцевый камень; 2 - золо-цементно-кварцевый камень (замена 50 % цемента золой); 3 - золо-цементно-кварцевый камень (замена
70 % цемента золой).
Увеличение количества высококальциевой золы в золо-цементно-кварцевом камне до 70 % от массы цемента существенно не изменяет фазовый состав. Но при этом в такой системе отмечается увеличение интенсивности пиков тоберморита, ксонотлита, афвиллита и дополнительный синтез гиллебрандита d/n = (4,78; 2,93; 2,82; 2,77; 2,37, 1,82)10-10 м (рис. 7, рентгенограмма 3).
Дополнительное введение извести в количестве10 % от ее содержания в контрольном составе в сырьевую шихту, содержащую от 50 % до 60 % высококальциевой золы, приводит к увеличению количества и интенсивности пиков тоберморита, ксонотлита, афвиллита, а также отмечается дополнительный синтез гидрогранатов.
Увеличение расхода извести до 50 % в составе золосодержащего газобетона является нецелесообразным ввиду низких прочностных характеристик и содержании в фазовом составе не связанного гидроксида кальция.
Сопоставляя результаты рентгенофазового и дифференциально-термического анализа со свойствами полученного материала, можно констатировать, что увеличение количества волокнистых гидросиликатных фаз в виде алюминий замещенного тоберморита, ксонотлита, C-S-H (I и II), а так же и гидрогранатов в оптимальном количестве в новообразованиях золосодержащих газобетонов, способствует увеличению прочности, морозостойкости, атмосферостойкости материала, уменьшению деформаций его усадки по сравнению с контрольной газобетонной массой на основе извести, портландцемента и кварцевого песка.
Результаты исследований прочностных, деформативных и других свойств автоклавного газобетона позволили сделать вывод о зависимости их количественных значений от состава и структуры новообразований готового продукта.
В пятой главе (Опыт практической реализации и внедрения производства стеновых газобетонных блоков на основе высококальциевой золы ТЭЦ, цемента и кварцевого песка) рассмотрены результаты опытно-промышленной апробации и внедрения технологии автоклавного газобетона на основе высококальциевых зол ТЭЦ.
Для проверки результатов лабораторных исследований и основных положений диссертации была проведена заводская апробация составов для производства автоклавного золо-цементного газобетона в условиях ЗАО «Завод ячеистых бетонов» (г. Барнаул). С этой целью был изготовлен золопортландцемент путем помола портландцемента и высококальциевой золы ТЭЦ в шаровой мельнице. Для апробации были выбраны оптимальные составы для производства автоклавного газобетона плотностью 700 кг/м3.
Далее в заводских условиях были изготовлены стеновые блоки из газобетона плотностью 700 кг/м3 на основе полученного золопортландцемента.
Согласно данным, полученным в результате опытно-промышленной апробации (таблица), применение золопортландцемента для производства автоклавного газобетона позволяет в производственных условиях получить материал с плотностью 620 – 660 кг/м3, который по прочностным показателям имеет класс не ниже В 1,5 и соответствует требованиям ГОСТ 31359 – 2007.
Таблица – Строительные свойства автоклавного газобетона
| Состав | Прочность, МПа | ср*, кг/м3 | W*, % | Bm*, % | Bv*, % | *, Вт/моС | |
| при сжатии | при изгибе | ||||||
| Контрольный | 2,8 | 1,1 | 690 | 8 | 41 | 30 | 0,17 |
| ПЦ 20,5 % + БУЗ 20,5 % + П 59 % (БУЗ 50 % + ПЦ 50 %) | 3,5 | 1,4 | 650 | 9 | 40 | 29 | 0,16 |
| ПЦ 16,4 % + БУЗ 24,9 % + П 59 % (БУЗ 60 % + ПЦ 40 %) | 3,2 | 1,5 | 660 | 16 | 38 | 29 | 0,16 |
| ПЦ 18,5 % + БУЗ 18,5 % + И 2 % + П 59 % (БУЗ 50 % + ПЦ 50 % + И 10 %) | 3,4 | 1,5 | 620 | 9 | 39 | 28 | 0,16 |
| ПЦ 14,8 % + БУЗ 22,2 % + И 2 % + П 59 % (БУЗ 60 % + ПЦ 40 % + И 10 %) | 3,1 | 1,3 | 630 | 11 | 36 | 29 | 0,15 |
* Примечание: ср - средняя плотность, кг/м3; W – влажность газобетона после автоклавной обработке, %; Bm – водопоглощение по массе, %; Bv – водопоглощение по объему, %; – коэффициент теплопроводности, Вт/(моС).
Сравнительный анализ данных, полученных при промышленной апробации и результатов в лабораторных условиях, показал их высокую сходимость.
Для оценки экономической эффективности производства автоклавного газобетона были проведены сравнительные расчеты себестоимости 1 м3 цементно-зольного газобетона на основе золопортландцемента разного состава (табл. 1) и классического состава на основе извести, цемента и кварцевого песка. Удельный экономический эффект от внедрения разработанной технологии в производстве 1 м3 конструкционно-теплоизоляционного газобетона плотностью D 700 составляет от 199 руб до 302 руб в зависимости от состава сырьевой смеси.
ВЫВОДЫ
- Разработана технология автоклавного газобетона на основе высококальциевых зол ТЭЦ от сжигания канско-ачинских углей при совместном их домоле с портландцементом, позволяющая получить материал с более высокими характеристиками при экономии от 90 до 100 % извести и до 20 % портладцемента.
- Оптимальный состав разработанной сырьевой смеси для автоклавного газобетона включает: от 14,8 % до 20,5 % портландцемента, от 0 % до 2 % извести, 59 % молотого кварцевого песка и от 18,5 % до 24,9 % высококальциевой золы;
- Предложено стабилизировать характеристики газобетона, получаемого из зол с пониженной основностью и содержанием СаОсвоб менее 3,5 %, добавкой 2 % (масс.) товарной извести.
- Повышенные характеристики полученного газобетона обусловлены синтезом главным образом Al-замещенного тоберморита, ксонотлита, катоита, гелеобразных C-S-H фаз при отсутствии портландита, который значительно снижает характеристики материала классического состава.
- Разработанная рецептура сырьевой смеси и технология производства конструкционно-теплоизоляционного газобетона позволили получать газобетонные блоки плотностью 700 кг/м3 с высокими и стабильными строительно-техническими свойствами, превышающими свойства заводских изделий. Разработанная технология позволила отказаться от собственного производства извести на заводах ячеистого бетона, а участок помола извести использовать для домола золы и цемента с получением золопортландцемента.
- Выпуск опытной партии на ЗАО «Завод ячеистых бетонов» (г. Барнаул) подтвердил эффективность изготовления газобетонных изделий, соответствующих требованиям ГОСТ 31359 – 2007 «Бетоны ячеистые автоклавного твердения. Технические условия». Удельный экономический эффект от внедрения разработанной технологии в производстве 1 м3 конструкционно-теплоизоляционного газобетона плотностью D 700 составил от 199 до 302 рублей в зависимости от состава сырьевой смеси.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Щукина, Ю.В. Технология получения автоклавного газобетона на основе высококальциевых зол / Ю.В. Щукина, Р.И. Гильмияров, Г.И. Овчаренко, С.И. Чиженко // Ползуновский вестник. – 2011. –№ 1. – С. 266-269. (4/2)
2. Гильмияров, Р.И. Особенности формирования фазового состава автоклавного газобетона с использованием высококальциевых зол ТЭЦ // Р.И. Гильмияров, Ю.В. Щукина, Г.И. Овчаренко, [и др.] // Ползуновский вестник. – 2012. – № 1. – С. 51-55. (5 / 2 стр.).
3. Щукина, Ю.В. Золосодержащие сухие смеси для производства газобетона / Ю.В. Щукина, А.В. Селютина, Р.И. Гильмияров, М.Н. Баев // Труды междунар. конгресса «Наука и инновации в строительстве». – Воронеж, 2008. – Т. 1. – С. 683 – 688. (6 / 2 стр.).
4. Селютина, А.В. Статистическое моделирование в технологии золосодержащих материалов / А.В. Селютина, Н.В. Музалевская, Р.И. Гильмияров, М.Н. Баев // Ползуновский альманах. – 2008. - № 2. – С. 65-67. (3 / 1 стр.).
5. Гильмияров, Р.И. Автоклавный газобетон на основе высококальциевой золы ТЭЦ / Р.И. Гильмияров, Ю.В. Щукина, Д.И. Гильмияров, Г.И. Овчаренко // Матер. всерос. конф. «Строительное материаловедение сегодня: актуальные проблемы и перспективы развития». – Челябинск, 2010. – С. 27-29. (3 / 1 стр.).
4. Щукина, Ю.В. Ячеистые бетоны на основе высококальциевых зол ТЭЦ / Ю.В. Щукина, Р.И. Гильмияров, Г.И. Овчаренко // Сборник трудов ХV Академических чтений РААСН. – Казань, 2010. – С. 118-121. (4/2 стр.).
5. Щукина, Ю.В. Автоклавный газобетон на основе золопортландцемента / Ю.В. Щукина, Р.И. Гильмияров, Д.И. Гильмияров, Г.И. Овчаренко // Сборник трудов Х Всерос. науч.-практ. конф. «Техника и технология теплоизоляционных материалов из минерального сырья». – Бийск: БТИ АлтГТУ, 2010. – С. 116-119. (4 / 1 стр.).
6. Гильмияров, Р.И. Исследования автоклавного газобетона на основе высококальциевой золы ТЭЦ / Р.И. Гильмияров, Ю.В. Щукина, Г.И. Овчаренко [и др.] // Материалы V-ой Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов». – Пенза, 2010. – С. 69-73. (5 / 2,5 стр.).
7. Щукина, Ю.В. Исследование строительно-технологических свойств золосодержащего автоклавного газобетона / Ю.В. Щукина, Р.И. Гильмияров, Г.И. Овчаренко, С.В. Казанцева // Сборник трудов междунар. науч. конф. «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании». - М. : МГСУ, 2011. – Т. 2. – С. 212-215. (4 / 2 стр.).
9. Щукина, Ю.В. Фазовый состав зольного автоклавного газобетона / Ю.В. Щукина, Р.И. Гильмияров, Г.И. Овчаренко // Материалы всеросс. науч.-техн. конф. «Перспективы развития строительного материаловедения: энерго- и ресурсосбережение в строительстве». – Челябинск, 2011. – С. 68-71. (4 / 2 стр.).
Подписано в печать 25.04.2012. Формат 60х84 1/16.
Печать – цифровая. Усл.п.л. 1,16.
Тираж 100 экз. Заказ 2012 - 264
Отпечатано в типографии АлтГТУ,
656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46
тел.: (8–3852) 29–09–48
Лицензия на полиграфическую деятельность
ПЛД №28–35 от 15.07.97 г.
