Технология строительных композитов на основе портландито-алюмосиликатной контактно-конденсационной системы твердения

Актуальность. С древнейших времен известковые, известково-пуццолановые, известково-цемяночные, известково-глинитные вяжущие, составы которых наши предки нашли эмпирическим путем, широко и повсеместно использовались в строительстве. Еще в первой половине XX века эти вяжущие занимали значительное место в строительной практике. Развитие производства и относительная доступность цемента привели к существенному снижению спроса на многие бесклинкерные, в том числе и известковые (портландитовые) вяжущие.

Сегодня приоритеты научно-прикладных технологических разработок как традиционных строительных материалов, так и материалов новых поколений определяются актуализацией концепции и критериев ресурсосбережения и энергоэффективности. Поэтому на современном витке развития строительного материаловедения и промышленных производств, востребованными могут оказаться системы твердения и композиты, получаемые на основе портландита по энергосберегающей контактно-конденсационной технологии. В существе теории этой технологии, опирающейся и на наноподходы, лежит идея о том, что дисперсное аморфное или кристаллическое вещество, находящееся в нестабильном энергетическом состоянии, обладает способностью к конденсации и образованию твердого тела. Реализуя принципы этой идеи, возможно обеспечить формирование систем твердения и композитов из предварительно подготовленных и наделенных неравновесностью энергетического состояния нанои микроразмерных кристаллов портландита, используемых в смеси с кислотными (включая алюмосиликатные) компонентами природного и техногенного типа. Такие смеси рассматриваются в работе в качестве объекта исследования. Изучение закономерностей структурообразования систем твердения и композитов при этом принимается в работе в качестве предмета исследований.

Таким образом, работа посвящена решению связанных с объектом и предметом исследований вопросов, относящихся к рассмотрению возможностей достижения твердого состояния строительных композитов на основе известковых (бесклинкерных) систем твердения в результате реализации управляемых механизмов контактно-конденсационного структурообразования непосредственно в процессе компактирования смеси нанои микроразмерных кристаллов портландита и частиц кислотных оксидов и их гидратов без применения тепловой обработки.

Постановка этих исследований отвечает принятой цели диссертационной работы — разработке технологии строительных композитов на основе компактирования кристаллов портландита и компонентов алюмосиликатного состава природного и техногенного типов, с учетом механизмов контактно-конденсационного структурообразования.

Задачи исследований:

1. Рассмотреть возможность получения композиционных материалов с известковыми (бесклинкерными) контактно-конденсационными системами твердения, обладающими способностью к упрочнению непосредственно при принудительном компактировании нанои микродисперсных частиц исходных щелочных и кислотных оксидов и их гидратов, наделенных или целенаправленно наделяемых неравновесным энергетическим состоянием.

2. Дать анализ механизмов структурообразования кристаллитной (портландитовой) и композитной (портландито-алюмосиликатной) систем твердения при сочетании нанои микроразмерных кристаллов портландита с микродисперсными и тонкозернистыми алюмосиликатными по составу компонентами.

3. Исследовать закономерности получения индивидуальных нанои микроразмерных кристаллов портландита с неравновесным энергетическим состоянием и предложить технологические варианты гидратации извести в различных условиях и сочетаниях ее с алюмосиликатным компонентом.

4. Экспериментально подтвердить возможность получения материала портландито-алюмосиликатного состава с учетом структурообразующей роли компонентов при формировании композита.

5. Провести оптимизацию составов и технологических режимов получения портландито-алюмосиликатного композита.

6. Оценить основные физико-механические характеристики полученного материала, разработать предложения к технологическому регламенту производства портландито-алюмосиликатных композитов и направления его практической реализации.

Диссертационная работа выполнялась в рамках программы фундаментальных научных исследований РААСН по приоритетному направлению «Развитие теории и основ конструирования строительных наноструктурированных композитов нового поколения», в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ «Разработка и развитие основ конструирования высокотехнологичных функциональных строительных композитов нового поколения».

Научная новизна работы:

— установлено, что возможность формирования в компактируемом композите различных по величинам прочных связей предопределяется мерой неравновесности энергетического состояния сырьевых компонентов, которое в отношении искусственного портландитового камня достигается изменением способов получения индивидуальных кристаллов портландита, а в отношении алюмосиликатного компонента — применением механо-химической активации посредством тонкого измельченияпоказано, что на развитие физико-химических явлений структурообразования и, следовательно, на прочность композита непосредственно после формования влияют состояние кристаллов портландита, определяемое способами их подготовки, а также технологическая вариантность получения портландито-алюмосиликатного композита по раздельной (А — вариант) и совмещенной (Б — вариант) технологиям подготовки сырьевых смесей, включающих природный алюмосиликатных компонент — цеолит и техногенныйкерамический бойдоказано, что при структурообразовании портландито-алюмосиликатного композита параллельно реализуются несколько его механизмов: механизм кристаллохимического двойникования при формировании связи «портландит-портландит», синтезный механизм образования новых фаз при развитии структурных связей «портландит-алюмосиликатный минерал», механизм кристаллохимической эпитаксии для связи «портландит — кальцит» и «портландит-кварц" — показано, что основными продуктами новообразований в портландито-алюмосиликатном композите являются гидроалюминаты и гидросиликаты кальция;

— обоснованы и выделены определяющие условия и факторы, оказывающие влияние на формирование структуры и прочности композиций портландита с тонкомолотым цеолитом, с тонкомолотой грубой керамикойв состав этих условий входят способы получения кристаллов портландита, вариант технологического сочетания кристаллов портландита с кислотным компонентом, а также рецептурно-технологические факторы — массовая доля алюмосиликатного компонента, прессовое давление, влажность формуемой сырьевой смеси.

Практическое значение работы:

— впервые методом компактирования получены композиты на основе матрицы из кристаллов портландита и природных и техногенных алюмосиликатных наполнителей, обладающие «мгновенной» прочностью до 10 МПа, которая к 28 сут возрастает более чем в 2 раза;

— на основании вероятностно-статистических моделей, полученных при проведении эксперимента методом активного планирования, для трех вариантов оптимизационного критерия цели (максимума прочности непосредственно после формованиямаксимума количества наполнителя в композите для достижения задаваемой прочностиминимума величины прессового давления для обеспечения назначенной начальной прочности) предложены решения по составам исходных портландито-алюмосиликатных смесей и технологическим условиям, обеспечивающим формирование рациональных структур;

— установлено, что энергозатраты в расчете на единицу измерения прочности композита, получаемого по «контактно-конденсационной технологии» в 2−3 раза ниже в сравнении с «цементной технологией» и на 2030% ниже в сравнении с «автоклавной технологией».

Прикладное значение диссертационных исследований заключается в разработке технологических вариантов получения бесклинкерных (известковых) строительных материалов с использованием природных и техногенных алюмосиликатных компонентовв обосновании решений по л составам композита, обеспечивающим получение прочности композита непосредственно после формования без тепловой обработкив разработке предложений по технологии изготовления мелкоштучных стеновых изделий и компоновочных решений производственных линий.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно обоснованных методик комплексных оценок состава, структуры, состояния и свойств материалов, методов планирования экспериментов, моделирования и оптимизации, вероятностно-статистических методов обработки полученных результатов.

Реализация результатов работы. По результатам работы подготовлен «Технологический регламент на изготовление прессованного кирпича на основе кристаллов портландита и тонкомолотого алюмосиликатного компонента», предложены компоновочные решения технологической линии производительностью 5 млн. шт. в год.

Теоретические положения и результаты исследований используются в учебном процессе при постановке учебно-исследовательских работ по дисциплинам «Основы научных исследований и технического творчества», «Методы исследования неорганических веществ и материалов» для бакалавров направления 270 800 «Строительство» профиля 270 800.62.

Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций", по дисциплине «Основы технологи строительных материалов и композитов» для бакалавров направления 20 300.62 «Химия, физика и механика материалов».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на XV академических чтениях РААСН (Казань, 2010 г.), на международной конференции «Биосферно-совместимые технологии в развитии регионов» (г. Курск, 2011 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского ГАСУ (2009 — 2012 гг.).

Автор защищает:

— выдвинутые положения о возможных механизмах формирования структурных связей контактно-конденсационного типа в компактируемых портландито-алюмосиликатных композицияхрезультаты комплексного исследования идентификационных структурных характеристик компонентов, входящих в состав композита;

— разработанные технологические варианты получения кристаллов портландита при гидратации извести в различных условиях и вариантах сочетаниях ее с алюмосиликатным компонентом;

— результаты экспериментальных исследований структурообразования и свойств портландито-алюмосиликатных систем твердения и композитов с использованием природных и техногенных сырьевых материалов алюмосиликатного типарезультаты оптимизации составов и параметров получения портландито-алюмосиликатных композитов контактно-конденсационного тверденияпредложения к технологическому регламенту изготовления прессованных мелкоштучных изделий из смесей портландито-алюмосиликатного состава и компоновочные решения технологической линии.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, из них четыре в ведущих рецензируемых научных журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, приложений и содержит 199 страниц, включая 26 таблиц, 68 рисунков, список литературы из 166 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

о ВОЗМОЖНОСТИ ПРАКТИЧЕСКОМ РЕАЛИЗАЦИИ результате" научнонсслсдоплтсльскои роботы.

1. Разработчики: д-р техн. наук, проф. 1Е.М. Чернышев, руководитель НМ1'- аспирпнткафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций Степанова М. П., исполнитель НИР.

Настоящим заключением подтверждается, что результаты диссертационной работы «Технологии строительных композитен па псионе портландпто-алюлюсиликатпоп коптаитно-конденсаинонной системы тиердсинн», выполненной в Воронежском государственном архитектурно-строительном университетом, приняты к перспективному использованию и практической деятельности ЗАО «Котедж — Индустрия», г. Россошь. 2. Результаты, принятые к практической реализации.

Разработанные технологические парная ты получения бесклинкерпых (известковых) строительных материалов с использованием природных и техногенных ошомоенликатных компонентойрешения по составам композита, обесиечшкиоиигм получение прочности композита непосредственно после формования без тепловой обработки: разработанные предложения по технологии изготовления мелкоштучных степолых изделий н компоновочные решения производственной линии.

3. Характеристика масштаба практической реализации: еднанчныЛ.

4.Реализация результатов: на стадии проектных разработок.

5. Новизна результатов НИР: качественно ноше.

6. Научно-гсхннческнП эффект: открываются возможности получения беск/шнкерного портланднто-ялюмоенликагного композита по энергосберегающей бсэаьгоклпшюй технологии.

СОГЛАСОВАНО:

Зам. генерального директора ЗАО «Ко.