Безавтоклавные композиты на основе боя стекла

Актуальность работы. Одной из важнейших проблем современного строительного материаловедения является получение эффективных композиционных материалов с применением местного сырья и отходов промышленных предприятий. Это связано с необходимостью охраны окружающей среды, дефицитностью отдельных строительных материалов и т. д.

Среди всего многообразия техногенных отходов, которые в больших количествах сбрасываются в отвалы, значительная часть приходится на бой стекла. Объем его отходов только по России составляет около 4 млн т в год. Большая его часть попадает на свалки, способствуя их быстрому заполнению и тем самым загрязняя окружающую среду. А между тем бой стекла является эффективным вторичным ресурсом, который может быть использован строительной индустрией при получении связующих, растворов, бетонов и конструкций на их основе.

Используемые в настоящее время способы изготовления строительных материалов с применением боя стекла базируются на технологиях, предусматривающих спекание сырья при высоких температурах или его обработку в автоклавах. Учитывая высокую энергоемкость, а соответственно и стоимость этих процессов, наиболее перспективным направлением решения проблемы утилизации стеклобоя с нашей точки зрения, является получение вяжущих, композиционных строительных материалов и изделий, способных отверждать-ся при температурах, не превышающих 90 °C, или в нормальных температурно-влажностных условиях. Указанные технологические процессы могут быть осуществлены на традиционных промышленных линиях по производству композиционных материалов и изделий на основе цементов, что позволит получить значительный экономический эффект при внедрении таких технологий в производство. В этой связи исследования, направленные на разработку безавтоклавной технологии получения, оптимизацию составов и исследование свойств вяжущих из боя стекла, а также эффективных строительных материалов и изделий на их основе являются исключительно актуальными.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является научное обоснование приемов и методов получения вяжущих материалов из боя стекла, а также эффективных строительных материалов и изделий на их основе при нормальных температурно-влажностных условиях или при температурах, не превышающих 90 °C.

В целом задачи исследований состоят в следующем:

1. Установить закономерности структурообразования связующих из боя стекла и композиционных строительных материалов на их основе на уровне микрои макроструктуры.

2. Разработать рациональную технологию получения вяжущих материалов, растворов и бетонов с применением отходов стекла, а также строительных изделий с их использованием.

3. Оптимизировать составы вяжущих и композиционных строительных материалов по показателям прочности, водои морозостойкости, химического и биологического сопротивления, теплопроводности.

4. Установить основные физико-технические свойства строительных растворов, тяжелых и легких бетонов, пенои газобетонов на основе вяжущего из боя стекла.

5. Получить количественные зависимости изменения физико-механических свойств композитов при воздействии химических и биологических агрессивных сред, циклически действующих температур.

6. Подобрать эффективные добавки для композитов на основе связующего из боя стекла, позволяющие улучшить их физико-механические свойства и долговечность в условиях воздействия химических и биологических агрессивных сред.

Научная новизна работы. Получены эффективные безавтоклавные строительные материалы на основе боя стекла, обладающие повышенной стойкостью в растворах кислот и биологически активных средах. Выявлены основные закономерности протекания процессов структурообразования вяжущих материалов, компонентами которых являются порошки стеклобоя и алюмоси-ликатных материалов, затворяемых щелочными растворами и отверждаемых при термовлажностной обработке или нормальных температурно-влажностных условиях.

Идентифицирован качественный состав продуктов взаимодействия в тройной системе «стекло — алюмосиликатная добавка — щелочь».

Подобраны эффективные добавки, позволяющие улучшить физико-механические свойства безавтоклавных композитов на основе боя стекла и повысить их долговечность в условиях воздействия химических и биологических агрессивных сред.

Разработана технология производства вяжущих материалов, растворов, а также тяжелых, легких и ячеистых бетонов на основе боя стекла, способных от-верждаться при нормальных температурно-влажностных условиях и температурах, не превышающих 90 °C.

Практическая значимость работы.

1. Разработана безавтоклавная технология получения вяжущих, растворов и бетонов на основе боя стекла, открывающая новые пути для утилизации ряда промышленных отходов и побочных продуктов, которая является менее энергоемкой по сравнению с известными технологиями, предусматривающими применение автоклавной обработки.

2. Оптимизированы составы вяжущих материалов на основе боя стекла и различных алюмосиликатных компонентов, способных отверждаться при нормальных гемпературно-влажностных условиях и температурах, не превышающих 90 °C.

3. Получены эффективные составы растворов и бетонов различных видов с улучшенными физико-механическими и технологическими свойствами.

4. Экспериментально найдены количественные зависимости изменения физико-механических свойств композитов на основе боя стекла при воздействии химических и биологических агрессивных сред, циклически действующих температур.

5. Выявлены оптимальные технологические режимы получения растворов и бетонов разных видов.

Внедрение результатов работы. Разработанная технология прошла промышленную апробацию на АО «Лисма» и АО «ЖБК-1». На производственных площадях АО «Лисма» смонтирована технологическая линия по очистке боя стекла от металлических и других включений и его измельчению до необходимой крупности. Линия позволяет производить полноценную подготовку связующего на его основе для дальнейшего использования при получении строительных материалов различного назначения. На АО «ЖБК-1» в г. Саранске осуществлена привязка разработанной технологии изготовления бетонов на основе стеклобоя к технологии производства мелкоштучных блоков. Выпущена опытно-промышленная партия мелкоштучных строительных изделий на основе связующего из стеклобоя с применением легких и тяжелых заполнителей, а также газобетонных пиленых камней.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на следующих внутривузовских, всероссийских и международных конференциях и семинарах: XXXV международном семинаре по проблемам моделирования и оптимизации композитов (Одесса, 1996) — Международной научно-технической конференции «Резервы производства строительных материалов» (Барнаул, 1997) — XXXVI международном семинаре по проблемам моделирования и оптимизации композитов «Компьютерное материаловедение и обеспечение качеств а» (Одесса, 1997) — Первой конференции молодых ученых Мордовского госуниверситета (Саранск, 1997) — Третьих академических чтениях «Актуальные проблемы строительного материаловедения» (Саранск, 1997) — Второй конференции молодых ученых Мордовского государственного университета (Саранск, 1997) — Международной конференции «Инженерные проблемы современного бетона и железобетона» (Минск, 1997) — Четвертых академических чтениях «Современные проблемы строительного материаловедения» (Пенза, 1998) — Третьей конференции молодых ученых Мордовского госуниверситета (Саранск, 1998) — XXXVII международном семинаре по оптимизации композитов «Моделирование в материаловедении» (Одесса, 1998) — Всероссийской конференции «Экологические проблемы биодеградации промышленных, строительных материалов и отходов производств» (Пенза, 1998) — Научной конференции Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева «XXVII Огаревские чтения» (Саранск, 1998) — Международной научно-практической конференции «Современное строительство» (Пенза, 1998) — Четвертой научной конференции молодых ученых Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева (Саранск, 1999) — Второй Всеукраинской научно-технической конференции «Науково-практичш проблем и сучасного за-л1зобетону» (KniB, 1999) — Конференции ученых Мордовского госуниверситета (Саранск, 1999).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованных источников из 155 наименований. Она изложена на 152 страницах машинописного текста, включает 38 рисунков, 10 таблиц, 3 приложения. Работа выполнена на кафедре строительного производства Мордовского госуниверситета.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана технология получения кислотостойких и биостойких вяжущих материалов из боя стекла, затворяемых щелочными растворами, и эффективных строительных материалов и изделий на их основе при нормальных температур нов лаж н о ст ных условиях и г ер м ов лаж н о ст, но й обработке, характерных для производства материалов и изделий на основе цементных связующих.

2. Установлены закономерности структурообразования вяжущих на бое стекла и строительных материалов на их основе. С помощью физико-химических методов идентифицирован качественный состав продуктов взаимодействия в тройной системе, «стекло — алюм о силикатная добавка — щелочь», получены зависимости изменения прочности и других свойств композитов на уровне микрои макроструктуры от основных структурообразующих факторов: крупности стеклопорошкаи корректирующих добавок, степени наполнения.

3. Разработаны предложения и методы оптимизации структуры и составов композитов на бое стекла по показателям прочности и долговечности. Лучшие результаты у вяжущих достигаются при следующем содержании алю-мосиликатных добавок: глины — 20−30 мас.ч.- кирпичной пыли -20 мас.ч.- керамзитовой пыли — 20−30 мае, ч. на 85 мае, ч. порошка стекла, у растворов и мелкозернистых бетонов в случае использования г л и н о с о д ер ж ащ их песков и у бетонов с заполнителями из керамзита, известняка и боя стекла.

4. Исследованы основные физико-технические свойства вяжущих материалов на бое стекла и композитов на их основе. Показаны зависимости прочности, деформативности и долговечности композитов от температуры отверждения, природы и свойств компонентов, образующих материал. Получены бетоны плотной структуры с прочностью 35 МПа, ячеистые материалы плотностью 500 кг/м" 1 и прочностью на сжатие 0,5 МПа.

5. Установлена повышенная по сравнению с цементными бетонами долговечность стекло щелочных бетонов в кислотосодержащ их и биологических средах. Разработаны и оптимизированы химически стойкие составы композитов на основе боя стекла в средах воды, водных растворов щелочей, кислот и нефтепродуктах.

Предложены добавки, способствующие повышению физико-механических свойств и долговечности композитов на основе вяжущего из стеклобоя. Выявлено, что добавки шестиводного хлористого алюминия, эпоксидной смолы увеличивают водостойкость на 20−25%. Показано повышение стойкости в кислотах при использовании в качестве минеральной добавки керамзитового порошка. Существенное повышение стойкости в щелочах достигается за счет введения бинарной добавки, представленной смесью порошков керамзита и известняка, взятых в соотношении 1:1.

Получены количественные зависимости изменения массосодержания и прочности связующих на основе боя стекла в модельной среде метаболитов микроскопических грибов. Показана высокая фунгицидная активность ацетона, увеличивающего зону ингибирования роста грибов до 12 мм. Разработана рациональная технология получения вяжущих веществ на бое стекла и строительных материалов и изделий на их основе. Установлены оптимальные варианты совмещения компонентов при получении строительных растворов, тяжелых бетонов, керамзитобетонов, пенои газобетонов. Разработаны способы снижения расхода щелочи при получении композитов. Показана эффективность использования электроактивированной воды и щелочных отходов.

Разработанные технология и составы вяжущих веществ и композитов на их основе использованы при выпуске опытно-промышленных партий изделий с применением тяжелых и легких заполнителей, а также газобетонных пиленых камней на АО «ЖБК-1» в г. Саранске. Разработанные автором материалы экспонировались на различных выставках и удостоены золотой медали Всероссийского выставочного центра.