Эффективные кладочные растворы с использованием пылевидного отхода сушки песка

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Эффективные кладочные растворы с использованием пылевидного отхода сушки песка

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

На правах рукописи

Баранов Николай Павлович

Москва 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Чистов Юрий Дмитриевич

- доктор технических наук, профессор Воронин Виктор Валерианович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Козлов Валерий Васильевич

- кандидат технических наук, доцент Суханов Михаил Александрович

Ведущая организация - Государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт Московского строительства «НИИМосстрой»

Защита состоится «17» ноября 2009 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.138.02 в ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское ш., д.26, ауд. № 109 УЛК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «_____» _________________ 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Алимов Л.А.

Актуальность работы

Одним из путей повышения эффективности кладочных растворов при производстве строительных и ремонтно-восстановительных работ является использование техногенного сырья, однако, рациональное использование техногенных продуктов, одним из которых является отход сушки песка на заводах по производству строительных материалов (асфальтобетона, сухих смесей), возможно только после их предварительной обработки. Целесообразным для повышения однородности и увеличения химической активности отхода является получение органоминеральной добавки путем механохимической активации с эффективными пластификаторами.

Работа выполнена в соответствии с проектом «Разработка и оптимизация энерго-ресурсосберегающих технологий производства и применения эффективных строительных материалов, изделий и конструкций» Министерства образования и науки РФ НИР МГСУ.

Цель и задачи работы.

Целью данной диссертационной работы является повышение эффективности кладочных растворов путем использования пылевидных отсевов сушки песка.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- обосновать возможность использования пылевидных отходов сушки песка для повышения эффективности кладочных растворов;

- провести исследования состава, структуры, физико-механических свойств и однородности пылевидных отходов сушки песка;

- изучить влияние отходов на структурообразование и свойства цементных кладочных растворов;

- провести исследования по выбору добавок ПАВ и изучить механизм их влияния на свойства растворных смесей и прочность раствора с пылевидными отходами сушки песка;

- провести исследования по оптимизации состава органоминеральной добавки на основе пылевидного отхода сушки песка и суперпластификатора С-3;

- с помощью математического метода планирования эксперимента получить зависимости прочностных показателей, подвижности, нерасслаиваемости, водоудерживающей способности, водонепроницае-мости, жизнеспособности кладочных растворных смесей от состава и свойств органоминеральной добавки на основе пылевидного отхода сушки песка;

- с помощью методов РФА и ДТА установить влияние органоминеральной добавки на основе пылевидного отхода сушки песка на структурообразование кладочных растворов;

- оптимизировать составы кладочных растворов с органоминеральной добавкой, которые могут обеспечивать прочностные показатели и технологические свойства;

- разработать рекомендации по производству органоминеральной добавки на основе пылевидного отхода сушки песка;

- провести опытно-промышленное опробование разработанных рекомендаций.

Научная новизна.

Обоснована возможность повышения эффективности цементно-песчаных растворов путем использования органоминеральной добавки, получаемой в результате механохимической активации пылевидного отхода сушки песка совместно с суперпластификатором С-3, положительно влияющей на технологические свойства, образования скрытокристаллической структуры низкоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, обусловливающие высокие эксплуатационные свойства кладочных растворов.

Разработана органоминеральная добавка, состоящая из пылевидных отходов сушки песка и суперпластификатора С-3 и технология ее производства и применения в цементно-песчаных растворах.

Рентгеноскопия пылевидных отходов сушки песка показала, что основными компонентами являются: кварц SiO2, полевые шпаты К2О 3Al2O3 6SiO2, каолинит Al2 (Si2O5) (ОН4), аттапульгит Mg2 Al2 (ОН)2 (Н2О) 4(Si8O20) 4Н2О, хлорит (MgFe2Al)6 (SiAl)4О10 (ОН)8, иллит (гидрослюда) (К4Al2(SiAl)4О6)(ОН2)nН2О, кальцит CaCO3, в небольшом количестве доломит CaMg(CO3)2, гематит Fe2O3, содержание аморфной фазы составляет 30-40%.

Исследование химического состава показало, что кремнезем SiО2 находится в отходах в свободном и связанном состояниях. Свободный кремнезем представлен примесями кварцевого песка, а связанный входит в состав глинообразующих материалов. Глинозем Al2О3 находится в материале в связном состоянии, в составе глинообразующих минералов и слюдистых примесей. Оксиды щелочноземельных металлов CaО и MgО входят в состав карбонатов - кальцита и доломита. В небольших количествах они участвуют также в составе глинистых минералов - хлоритов и аттапульгитов.

Водопотребность цементных паст, разбавленных полученными органоминеральными добавками, находится в зависимости от удельной поверхности ОМД. Введение ОМД с удельной поверхностью 100 м2/кг значительно понижает водопотребность цементных паст. При 60%-ном содержании ОМД только за счёт изменения дисперсности ОМД от 100 м2/кг до 420 м2/кг водопотребность изменяется с 16,0% до 18,2%.

С помощью метода математического планирования эксперимента получены зависимости прочности, водопотребности и плотности цементных паст от содержания и удельной поверхности органоминеральной добавки и расхода суперпластификатора.

С помощью методов РФА и ДТА установлено, что при длительном твердении портландцемента, содержащего минеральный наполнитель в виде пылевидных отходов сушки песка, в основном образуется скрытокристаллическая структура низкоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция.

Получены двухфакторные квадратичные зависимости водопотребности и прочности кладочных растворных смесей от заданной подвижности растворной смеси и расхода органоминеральной добавки.

Практическая значимость.

Разработана технология производства органоминеральной добавки, получаемой путем помола пылевидного отхода сушки песка с суперпластификатором С-3 в количестве 0,2, 0,4 и 0,6% от массы пылевидного отхода.

Разработана технология производства кладочных растворов на основе портландцемента и органоминеральной добавки, обеспечивающей прочностные показатели, подвижность, нерасслаиваемость, водоудерживающую способность, водонепроницаемость, жизнеспособность.

Разработаны составы кладочных растворов, обеспечивающих получение марок 15, 10, 7,5 и 5 со средней плотностью свыше 2100 кг/м3, с водоудерживающей способностью свыше 96.8% и жизнеспособностью около 6 часов.

Новизна исследований подтверждена патентом на изобретение №2363679./Кладочный раствор.

Внедрение результатов исследований. Результаты разработок и исследований нашли отражение в Технических условиях на кладочные растворы на основе пылевидного отхода сушки песка и рекомендациях по технологии приготовления кладочных растворов на основе портландцемента и органоминеральной добавки для возведения кирпичных и каменных кладок.

Разработанные нормативные документы были внедрены в производственных условиях на предприятии ОАО «АРСП» при производстве ОМД и кладочных растворов на ее основе.

Апробация работы. Результаты, полученные в диссертации, были доложены и обсуждены на научно-практических конференциях в Московском государственном строительном университете: «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в 2007 и 2009 годах;

На защиту диссертации выносятся:

- положения о повышении эффективности кладочных растворов путем использования пылевидного отхода сушки песка,

- исследования по оптимизации состава органоминеральной добавки на основе пылевидного отхода сушки песка и суперпластификатора С-3;

- влияние органоминеральной добавки на основе пылевидного отхода сушки песка на структурообразование кладочных растворов;

- зависимости прочностных показателей, подвижности, нерасслаиваемости, водоудерживающей способности, водонепроницаемости, жизнеспособности кладочных растворных смесей от состава и свойств органоминеральной добавки на основе пылевидного отхода сушки песка;

- рекомендации по производству органоминеральной добавки на основе пылевидного отхода сушки песка;

- результаты опытно-промышленного опробования разработанных рекомендаций.

Объем работы. Диссертация изложена на 133 листах машинописного текста, иллюстрирована 24 рисунками и 30 таблицами. Она состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемой литературы и приложений.

Содержание работы

Диссертационная работа направлена на разработку эффективных кладочных растворов с высокими эксплуатирующими свойствами путем использования отходов сушки песка. На примере Мытищинского асфальбетонного раствора мощность 300 тыс. тонн в год, ежесуточно в процессе производства продукции, в системах газоочистки образуется до 10 тонн пылевидного отхода сушки песка. Большая часть отходов, накопившихся в отвалах, является источником загрязнения окружающей среды, занимает значительные земельные участки. Однако использование вышеуказанных отходов сдерживается из за недостаточно изученной роли пылевидных и глинистых частиц в структурообразовании цементных композиций.

Установлено, что физико-химические процессы при твердении растворов происходят главным образом на поверхности раздела фаз. В связи с этим, роль пылевидных и глинистых частиц в структурообразовании цементных кладочных растворов оказывают решающее влияние, так как они имеют наиболее развитую удельную поверхность. Прочность, деформативность, а также многие физико-механические свойства раствора в значительной степени зависят от преобладающих структурных связей. Склонность пылевидных и глинистых частиц, содержащихся в пылевидном отходе сушки песка, к агрегированию снижает фактическую удельную поверхность материала. В результате частицы, находящиеся внутри флокул, остаются не задействованными в адсорбционных процессах и ионном обмене. Для того чтобы вскрыть поверхность глинистых частиц, необходимо разрушить образовавшиеся микрогранулы и создать условия, препятствующие их дальнейшему образованию. С ростом дисперсности, а, следовательно, удельной поверхности в глинах пропорционально увеличивается адсорбционная и обменная способности.

Поверхность частицы глинообразующего минерала имеет отрицательные заряды, которые создают вокруг него силовое поле, под действием которого ориентируются молекулы воды. Зерна глинообразующего минерала окружены несколькими концентрическими слоями воды, каждый из которых удерживается частицей с различной силой, убывающей от центра к периферии. Толщина диффузного слоя у разных минералов различна. При увеличении концентрации электролитов в жидкости диффузионный слой как бы сжимается, а при уменьшении - расширяется. Чем выше валентность, тем сильнее электростатическое притяжение между ионами диффузного слоя и поверхностью зерна и тем меньше его толщина, поэтому наиболее обширный диффузный слой образуют одновалентные ионы, например, Na, К, Li. Двухвалентные ионы, например, Са, Mg образуют более тонкий и плотный диффузный слой, а трехвалентные -- Fe, A1, образуют еще более тонкий и плотный диффузионный слой воды. Тонкие, в десятые доли микрона, слои воды оказывают на соседние частицы глины расклинивающее давление, уравновешивающее гидростатическое давление водных пленок на поверхности, граничащие с газообразной средой. Расклинивающее давление способствует пептизации и препятствует коагуляции.

Во взаимодействии поверхности частиц глины с водой большую роль играет водородная связь. Механизм этой связи основан на том, что ион Н+, давший электрон, представляет собой ядро без электронов, в тысячи раз меньше, чем атомы. Ион Н+ поэтому не отталкивается электронными оболочками, а внедряется в них. Однако энергия химической связи в 4-20 раз больше энергии водородной связи. Водородная связь осуществляется в глинах водородом воды с ионами О на кремнекислородных поверхностях решетки минерала. При этом вникают плоские гексагональные сетки из молекул воды, взаимно удерживаемых также водородными связями.

При гидратации глинисто-коллоидных частиц происходит их набухание и ослабление внутримицеллярных связей. Существенное влияние на эффективность при твердении глиносодержащих веществ оказывает кислотность среды (рН).

При переходе от кислой к щелочной среде резко изменяются структура и прочность глинистых систем. Данное явление связано с тем, что боковые сколы глинистых минералов, в зависимости от рН, могут изменять плотность и знак поверхностных зарядов. Это выясняется образованием на боковых сколах глинистых частиц соединений алюминия, которые при переменных значениях рН ведут себя как типично амфотерные вещества, диссоциируя по щелочному типу рН <7 и по кислому типу при рН > 7. В результате на боковых сколах, в кислой среде, возникает поверхностный заряд положительного знака, в щелочной отрицательного.

Свойства глинистых частиц резко меняются при введении пептизирующих добавок в виде электролитов. Электролиты выполняют две основные функции: интенсифицируют распад слипшихся глинистых агрегатов на элементарные зерна и обеспечивают получение раствора.

Наиболее типичными катионами сорбированного комплекса в глинах являются Са2+, которые связывают отдельные глинистые зерна в агрегированные (слипшиеся) глинистые частицы. При вводе в глинистую суспензию электролита, например NaSiO3 (жидкое стекло), происходит диссоциация его молекулы на Na+ и (SiO3) 2- . Энергия адсорбции Na+ меньше, чем Са2+, поэтому катион Na+, оказавшись в суспензии, начинает вытеснять из сорбированного комплекса катионы Са2+, замещая их. При этом в основном замещаются катионы диффузного слоя (как менее прочно связные) и в незначительной мере катионы Са2+ поверхностного слоя. При замещении 2-х валентного катиона Са2+ одновалентным Na+ в глинистом зерне возникает избыточный отрицательный заряд. Если такое замещение произошло в 2-х слипшихся глинистых частицах, то в них появляются одноименные некомпенсированные заряды, которые обусловят отталкивание зерен друг от друга. В силу этого, глинистая частица начнет диспергироваться, разъединяться на отдельные элементарные зерна. Таким образом, интенсификация процесса диспергирования глины является первым результатом воздействия на нее пептизирующих электролитов.

Пептизации суспензии способствует еще один фактор: с увеличением концентрации электролита в соответствии с законом действующих масс диссоциированные катионы Na как бы начинают теснить катионы диффузного слоя. По мере приближения катиона диффузного слоя к поверхности заряженной глинистой частицы часть его заряда нейтрализуется, способность катиона удерживать вокруг себя гидратную оболочку понижается и последняя становится тоньше с переходом части воды из связанного состояния в свободное.

В системе глиносодержащий компонент - цемент-вода активно происходят обменно-поглотительные реакции. При гидратации глинисто-коллоидных частиц происходит их набухание и ослабление внутримицеллярных связей. Благодаря этому часть ионов, находящихся в мицеллах, становится в значительной мере свободной и при соответствующем воздействии внешней среды получает возможность отрываться от гранулы и мигрировать в раствор. Продукты растворения поверхностного слоя глинистых частиц вступают в реакцию с гидроксидом кальция и образуют нерастворимые в воде гидросиликаты и гидроалюминаты кальция.

Считается, что глины не обладают свойствами активных минеральных добавок до тех пор, пока кристаллическая структура алюмосиликатных минералов в глине не превратится в аморфную или неупорядоченную структуру путем специальной обработки. Известно, что активность глинистых минералов возможно увеличить не только в результате термической обработки, но и путем помола. Уменьшение величины зерна глинистых частиц приводит к быстрому повышению способности к обмену основаниями. Например, помол бентонита способствует более сильной агрегации или полимеризации в воде, а, следовательно, и еще большей тиксотропии, чем та, которая свойственна ему обычно. Способность к ионному обмену при этом, становится меньше, что позволяет сделать заключение о разложении бентонита. Взаимодействие со щелочами и кислотами увеличивается, в то время как набухание в воде уменьшается. Помол также изменяет химические и физические свойства гидрослюд, увеличивая их ионнообмен и реакционную способность.

В составе пылевидных отходов сушки песка также присутствуют полевые шпаты и карбонатные породы кальцит, доломит. Полевые шпаты способны взаимодействовать с гидроксидом кальция при температуре ниже 100С. При растворении поверхность зерен полевого шпата подвергается коррозии. Образовавшийся кремнезем способен к взаимодействию с гидроксидом кальция. Взаимодействие проявляется во взаимном замещении атомов калия и натрия атомами кальция и алюминия гидратированных клинкерных минералов. В результате образуются гидросиликаты, гидрогранаты и выделяются щелочи.

Известна способность минералов кварца, калиевых полевых шпатов, каолинита и др., в зависимости от кристаллохимических свойств, образовывать при измельчении аморфные продукты на своей поверхности.

Тонкоизмельченные минералы способствуют ускорению гидратации цемента и формированию цельных гидратных фаз. Наиболее чувствительными наполнителями являются алюминатные составляющие, гидратация которых в этих условиях протекает ступенчато.

С помощью микроскопических, рентгеноструктурных исследований и пламенной фотометрии контактной зоны цементного камня с различным и минералами установлено, что при взаимодействии полевых шпатов с цементом происходит взаимное замещение атомов калия и натрия полевых шпатов, атомами кальция и алюминия гидратированных клинкерных минералов.

С увеличением удельной поверхности с 300 до 600 мг /кг растворимость увеличивается в 1,5-2 раза. Образовавшийся аморфный кремнезем способен к взаимодействию с гидроксидом кальция.

Карбонатный заполнитель, взаимодействуя с алюмосодержащими минералами портландцементного клинкера, образует гидрокарбоалюминаты кальция, обеспечивающие хорошее сцепление цементного камня с наполнителем.

Учитывая вышеизложенное, пылевидный отход сушки песка можно рассматривать, как активную составляющую в цементно-песчаных системах.

Для подтверждения высказанных положений были выбраны следующие исходные материалы.

Песок марки, изготовленный на ОАО «Люберецкий ГОК», соответствует качеству по ГОСТу 2138-91, имеет следующие характеристики: массовая доля глинистой составляющей - 0,46%; массовая доля диоксида кремния (SiO2) - 98,5%; средний размер зерна - 0,2 мм; реакция водной вытяжки - нейтральная; массовая доля оксида железа (Fe2O3) - 0,20%; массовая доля щелочных и щелочноземельных металлов (Na2O+K2O+CaO+MgO) - 0,48%.

Портландцемент марки М400-Д5, изготовленный на ОАО «Воскресенскцемент», удовлетворяющий требованиям ГОСТ 10178-85. Портландцемент имеет следующие технические характеристики: средняя активность цемента при пропаривании 32,7 МПа; средняя активность цемента в возрасте 3-х суток - 30 МПа; нормальная густота, % - 25,50-27,25%; группа эффективности по теплообработке - 1; удельная эффективность естественных радионуклинов - 75Бк/кг.

Минеральный состав портландцемента:

Минералы	C3S	C2S	C3A	C4AF
Количество,%	60	17	4	12

Химический состав портландцемента в %:

SiO2	SO3	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO
20.4	1.6	5,42	3,63	63,5	4,51

Суперпластификатор С-3, соответствующий ТУ 6-36-0204229-625-90 и состоящий из продуктов поликонденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида, добавок лигносульфонатов сульфатов натрия, хлорида, нитрата и глюконата кальция, тиосульфата и бикарбоната натрия, полиоксиэтилена, карбометилцеллюлозы, солей винной кислоты, производных сахаров других веществ.

Реламикс - суперпластификатор и ускоритель прочности, состоящий из натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот с добавлением комплекса, ускоряющего набор прочности, производится по ТУ 5870=002-14153664-04 в сухой и жидкой формах.

Muraplast FK 63 (FM) - синтетическое разжижающее средство на безе мультикарбоксилатезера.

В качестве пылевидных отходов в работе применялись пыли уноса, образующиеся в системах газоочистки при сушке песка на предприятии ЗАО «Асфальт» города Мытищи. Указанный отход относится к 1 классу строительных материалов в соответствии с ГОСТ 30108-94.

Основные характеристики отхода представлены в табл.1, 2, 3:

цементный кладочный раствор пылевидный

Таблица 1. Результаты радиологического анализа

Удельная активность	Эффективная активность, Бк/кг
Радий 226	Торий 232	Калий 40
45,9	35,4	335,4	120,9 + 22,66

Таблица 2

Основные характеристики пылевидных отходов сушки песка

Обозначение отхода	Наименование характеристик
	Насыпная плотность, кг/ м3	Истинная плотность, г/ м3	Пустотность, %	Удельная поверхность, м2./кг	Содержание пылевидных и глинистых частиц, %	Водопотребность, %
№1	900	2,92	69	300-310	66	35

Таблица 3. Зерновой состав пылевидных отходов сушки песка

Обозначениеотхода	Наименованиеостатка	Остатки, % по массе на ситах	Прошлочерез сито 0,08
		1.25	0.63	0.315	0,14	0,08
№1	Частый	0,1	0,4	1,8	4.5	6,7	86,5
	Полный	0,1	0,5	2,3	6,8	13,5

Результаты исследований гранулометрического сотава пылевидных отходов представлены в табл.4.

Таблица 4

Гранулометрический состав частиц, прошедших через сито 0,08

	Размеры частиц, мкм
Количествочастиц	До 0,5	0,51 - 1,99	2,00 - 3,55	3,56 - 4,99	5,00 - 7,20
	79,4	11,4	5.2	2,5	1,5

Проведенная рентгеноскопия пылевидных отходов сушки песка (рис.1)показала, что основными компонентами являются: кварц SiO2 (d/n=3,35; 4,23; 2,27; 1,81) 10м; полевые шпаты К2О 3Al2O3 6SiO2 (d/n=6,45; 4,04; 3,23; 1,77) 10м; каолинит Al2 (Si2O5) (ОН4) (d/n=7,10; 3,50; 2,34; 1,57) 10м; аттапульгит Mg2 Al2 (ОН)2 (Н2О) 4(Si8O20) 4Н2О (d/n=9,95; 3,14; 2,60; 1,50) 10м; хлорит (Mg Fe2 Al)6 (Si Al)4О10 (ОН)8 (d/n=8,48; 7,07; 4,72; 3,53; 1,53) 10м; иллит (гидрослюда) (К4Al2(SiAl)4О6)(ОН2)nН2О (d/n=9,95;4,98;2,84;2,63;2,19) 10м; кальцит CaCO3(d/n=3,04; 2,08; 1.87; 1,42) 10м; в небольшом количестве доломит CaMg(CO3)2, гематит Fe2O3; содержание аморфной фазы 30-40%.

Рис.1. Рентгенограмма пылевидного отхода сушки песка

Исследование химического состава показало, что пылевидные отходы сушки песка включают кремнезем SiО2, который находится в материале в свободном и связном состояниях. Свободный кремнезем представлен примесями кварцевого песка, а связанный входит в состав глинообразующих материалов. Глинозем Al2О3 находится в материале в связном состоянии, в составе глинообразующих минералов и слюдистых примесей. Оксиды щелочноземельных металлов CaО и MgО входят в состав карбонатов - кальцита и доломита. В небольших количествах они участвуют также в составе глинистых минералов - хлоритов и аттапульгитов.

Для установления влияния пылевидного отхода сушки песка на водопотрбность и прочность кладочного раствора, отход использовался в исследованиях в виде крупного и мелкого отсевов.

Крупный отсев после рассева на ситах показал, что 60% составляющих прошло через сито 0,16, а мелкий отсев - 80%. Количество глинистых примесей у крупного отсева составило: 51,1%, а у мелкого отсева составило: 66%.

В таблице 5 приведены составы и свойства растворов. В виде образцового раствора использовался состав на основе люберецкого песка с расплывом конуса 18 см. Выбор этого кварцевого песка обусловлен тем, что зерновой состав его является приближающимся к изучаемому отходу. Из полученного раствора формовали образцы-кубы с размером ребра 5 см. Образцы подвергались тепловлажностной обработке в лабораторной пропарочной камере по режиму (2+3+8+3)ч., при температуре 85оС.

Таблица 5

Вид заполнителя	Расход компонентов на 1 м3/кг	ВЦ	ВТ	Прочность раствора, МПа
	цемента	заполнителя	воды
Люберецкий песок	416,8	1250,4	316,7	0,75	0,19	58,49
Крупный отсев сушки песка	418,4	1255,3	414,2	0,9	0,2	26,69
Мелкий отсев сушки песка	272,6	817,9	613,3	2,2	0,56	5

Как видно из таблицы 5, расход воды при применении отсева сушки песка практически в 2 раза больше, чем при применении в качестве заполнителя люберецкого песка. Это привело к резкому снижению прочности кладочного раствора.

С целью управления процессами структурообразования смесей с использованием пылевидного отхода сушки песка приведены исследования роли химических добавок пластификаторов: суперпластификатор С-3, ускоритель твердения Реламикс и разжижающее средство Muraplast FK 63 (FM). Использование пластифицирующих добавок С-3 и Muraplast FK 63 (FM) позволяет получать кладочный раствор с прочность, соизмеримой с прочностью на люберецком песке. Водопоглощение и пористость также в значительной степени зависят от крупности отсева. Пористость на мелком отсеве более чем в 2 раза оказалась выше.

Были проведены исследования с использованием в составе кладочного раствора наноматериалов (углеродные трубки и фуллерены).

В качестве заполнителя использовался пылевидный отход сушки песка, а в качестве добавок использовались наноматериалы (углеродные трубки и фуллерены).

Состав кладочного раствора:

- цемент 400 кг/ м3,

- пылевидный отход - 1250 кг/ м3,

- наноматериалы - 0,02 кг/ м3,

- вода - 340 кг/ м3.

Использование наноматериалов в небольших количествах в составе кладочного раствора на основе пылевидного отхода позволяет получить раствор с высокой прочностью и хорошей морозостойкостью.

Учитывая большой расход добавок, используемых при производстве кладочного раствора, а также высокую стоимость наноматериалов, проведенные исследования состава пылевидных отходов, в том числе химического, а также рентгеноскопия показали, что пылевидный отход сушки песка эффективней использовать как сырье для получения активной минеральной добавки для цементно-песчаных кладочных растворов, подвергнув его механохимической обработке.

Многочисленными исследованиями установлено, что для любого заполнителя соотношение цемент: песок = 1:2,33 по абсолютному объему всегда обеспечивает получение строительного раствора слитного строения. Однако, в этом случае, естественно, необходимо расходовать значительное количество цемента, что не только не выгодно экономически, но и нецелесообразно, т.к. жирные растворы обладают повышенной усадкой, значительными деформациями, быстро теряют необходимую для работы подвижность и расслаиваются. Резкое обезвоживание растворных смесей , уложенных на пористое обоснование, обусловливает при прочих равных условиях получение жёстких, неудобоукладываемых растворов с пониженными прочностными показателями вследствие недостаточного количества влаги, обеспечивающей процессы гидратации клинкерных минералов и кристаллизации гидратных новообразований. Специфическое отличие строительных растворов заключается в том, что они применяются в виде тонких слоёв, наносимых на основания без механического уплотнения. Это обстоятельство предъявляет особые требования к свойствам растворов, которые должны обладать не только высокой подвижностью, но и не терять её быстро, вследствие отсоса воды пористым основанием. Удобоукладываемость раствора зависит не только от степени подвижности свежеприготовленного раствора, но и его водоудерживающей способности. Раствор, обладающий высокой водоудерживающей способностью, отдаёт пористому основанию излишнюю часть воды постепенно, от чего становится плотнее и, следовательно, прочнее. Вследствие повышения водоудерживающей способности растворные смеси сохраняют требуемую подвижность длительное время. Удлинение сроков загустевания раствора или повышение жизнеспособности, т.е. способности растворов сохранять удобоукладываемость спустя некоторое время после хранения, создают благоприятные условия влажностного твердения растворов.

Все вышеперечисленные свойства будут присущи растворной смеси в том случае, когда теста вяжущего достаточно для заполнения межзернового пространства и обмазки поверхности зерен песка.

Анализ применения в строительных растворах различных добавок минерального происхождения свидетельствует о неоднородности их использования, так как минеральный наполнитель позволяет сохранить объем теста в растворе, повысить водоудерживающую способность, удобоукладываемость, жизнеспособность растворной смеси, но в том случае, если подвергнуть минеральный наполнитель механохимической обработке. Вид и количество органической составляющей - поверхностно-активных веществ - в значительной степени влияет на водопотребность растворной смеси и одновременно выступают регулятором процессов начального структурообразования и последующего твердения растворов. Минеральный порошок в многокомпонентной добавке является носителем ПАВ и заменителем т ой части извести, которая необходима для регулирования зернового состава растворов.

В справочной литературе имеются рекомендации по ориентировочному расходу цемента, с учетом его марки, для различных марок строительных растворов. Однако такой расход цемента обеспечивает только требуемую прочность строительного раствора. При этом не обеспечиваются такие важные свойства, как пластичность, жизнеспособность, водоудерживающую способность. Эти свойства могут быть обеспечены только в слитных структурах растворов.

Для получения органоминеральной добавки на основе пылевидных отходов сушки песка и органоминеральной добавки суперпластификатора С-3 разработана технологическая схема, включающая шаровую мельницу, приемный бункер мельницы, непрерывный дозатор песка, расходную емкость свуперпластификатора С-3, непрерывный дозатор суперпластификатора, бункер песка, расходный бункер песка, приемный бункер органоминеральной добавки.

Исследование свойств цементных паст, разбавленных полученными органоминеральными добавками показало, что их водопотребность находится в зависимости от удельной поверхности ОМД. В связи с этим для оптимизации состава добавки была получена зависимость удельной поверхности ОМД от времени помола. Введение ОМД с удельной поверхностью 100 м2/кг значительно понижает водопотребность цементных паст. При 60%-ном содержании ОМД только за счёт изменения дисперсности ОМД от 100 м2/кг до 420 м2/кг водопотребность увеличилась с 16,0% до 18,2%.

С помощью метода математического планирования эксперимента получены зависимости прочности (R), водопотребности (B) и плотности (Y) цементных паст от содержания (Х1) и удельной поверхности органоминеральной добавки (Х3) и расхода суперпластификатора (Х2). В результате обработки данных были получены математические уравнения в кодовых значения переменных:

- водопотребность (%),

В= 16,4+1,7Х1 - 0.5Х2 - 1Х3 - 0.1Х12 - 0,1Х22 - 1Х32 - 0,7Х1Х2,

- прочность (МПа),

R=19,5 - 0,1Х1 + 2,7Х2 - 9,8Х3 - 0.4Х12 + 0,6Х22 - 4Х32 - 1,2Х2Х3,

- плотность (кг/м3),

Y=2175+26,6Х1 - 100,2Х2 + 18,8Х3 - 1.4Х12 + 23,6Х22 - 13,4Х32 - 1,6Х1Х2 - 0,1Х1Х2 + 10,6Х2Х3.

Анализ уравнения показывает, что основное влияние на водопотребность и прочность цементных паст оказывает содержание ОМД и расход суперпластификатора.

С помощью методов РФА и ДТА установлено, что при длительном твердении портландцемента, содержащего минеральный наполнитель в виде пылевидных отходов сушки песка, образуются дополнительные новообразования в виде скрытокристаллической структуры низкоосновных гидросиликатов кальция типа С-S-Н (11) и гидроалюминатов кальция.

Добавка, получаемая в результате механохимической обработки пылевидного отхода в присутствии суперпластификатора, была использоваться для строительных растворов марок 5…20 МПа. В связи с этим, была проведена оптимизация кладочных растворов, закалючающаяся в установлении соотношения между составляющими: цементом, органоминеральной добавкой, песком и водой, которое обеспечивало бы получение раствора с заданными свойствами, как в свежеприготовленном состоянии, так и после затвердевания смеси в эксплуатационных условиях. Слитность структуры строительного раствора осуществляли введением органоминеральной добавки с целью обеспечения важнейших характеристик строительных растворов: подвижности, нерасслаивоемости, водоудерживающей способности, водонепроницаемости, жизнеспособности и т.д.

С помощью метода математического планирования эксперимента для оптимизации составов были получены двухфакторные квадратичные зависимости водопотребности (В) и прочности (R) кладочных растворов смесей от заданной подвижности растворной смеси (Х1) и расхода органоминеральной добавки (Х2):

В = 290,5 + 20.84Х1 - 33,67Х2 - 0,07Х12 + 1,43Х22 - 3,25Х1Х2

Уравнение прочности:

R = 11,35 - 0,42Х1 - 5,5Х2 - 0,36Х12 + 0,39Х22 + 0,12Х1Х2

На основании приведенных исследований были разработаны составы кладочных растворов, обеспечивающих получение марок 15, 10, 7,5 и 5 со средней плотностью свыше 2100, с водоудерживающей способностью свыше 96,8 % и жизнеспособностью около 6 часов. Характеристики составов кладочных растворов представлены в табл. 6.

Таблица 6

№, п/п	Марка раствора, МПа	Ц, кг/ м3	Доля Ц	Доля ОМД	Объем ОМД, %	Масса ОМД, кг	Расход П, кг/ м3	В, кг/ м3 При расплыве конуса 8 см.
1.	15	400	0,82	0,18	31	90	1354	325
2.	10	300	0,61	0,39	66	190	1420	290
3.	7,5	250	0,51	0,49	83	240	1489	270
4.	5	200	0,41	0,59	100	290	1513	260

Примечание: при использовании портландцемента марки М400 и при расплыве конуса 8 см

Результаты разработок и исследований нашли отражение в Технических условиях на кладочные растворы на основе пылевидного отхода сушки песка и рекомендациях по технологии приготовления кладочных растворов на основе портландцемента и органоминеральной добавки для возведения кирпичных и каменных кладок.

Разработанные нормативные документы были внедрены в производственных условиях на предприятии ОАО «АРСП» при производстве ОМД и кладочных растворов на ее основе.

Основные выводы

1. Обоснована возможность повышения эффективности цементно-песчаных растворов путем использования органоминеральной добавки, получаемой в результате механохимической активации пылевидного отхода сушки песка совместно с суперпластификатором С-3, положительно влияющей на технологические свойства, образования скрытокристаллической структуры низкоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, обусловливающие высокие эксплуатационные свойства кладочных растворов.

2. Разработана органоминеральная добавка, состоящая из пылевидных отходов сушки песка и супрепластификатора С-3 и технология ее производства и применения в цементно-песчаных растворах.

3. Рентгеноскопия пылевидных отходов сушки песка показала, что основными компонентами являются: кварц SiO2, полевые шпаты К2О 3Al2O3 6SiO2, каолинит Al2 (Si2O5) (ОН4), аттапульгит Mg2 Al2 (ОН)2 (Н2О) 4(Si8O20) 4Н2О, хлорит (Mg Fe2 Al)6 (Si Al)4О10 (ОН)8, иллит (гидрослюда) (К4Al2(SiAl)4О6)(ОН2)nН2О, кальцит CaCO3, в небольшом количестве доломит CaMg(CO3)2, гематит Fe2O3, содержание аморфной фазы составляет 30-40%.

4. Исследование химического состава показало, что кремнезем SiО2 находится в отходах в свободном и связном состояниях. Свободный кремнезем представлен примесями кварцевого песка, а связанный входит в состав глинообразующих материалов. Глинозем Al2О3 находится в материале в связном состоянии, в составе глинообразующих минералов и слюдистых примесей. Оксиды щелочноземельных металлов CaО и MgО входят в состав карбонатов - кальцита и доломита. В небольших количествах они участвуют также в составе глинистых минералов - хлоритов и аттапульгитов.

5. Водопотребность цементных паст, разбавленных полученными органоминеральными добавками, находится в зависимости от удельной поверхности ОМД. Введение ОМД с удельной поверхностью 100 м2/кг значительно понижает водопотребность цементных паст. При 60%-ном содержании ОМД только за счёт изменения дисперсности ОМД от 100 м2/кг до 420 м2/кг водопотребность увеличилась с 16,0% до 18,2%.

6. С помощью метода математического планирования эксперимента получены зависимости прочности, водопотребности и плотности цементных паст от содержания и удельной поверхности органоминеральной добавки и расхода суперпластификатора.

7. С помощью методов РФА и ДТА установлено, что при длительном твердении портландцемента, содержащего минеральный наполнитель в виде пылевидных отходов сушки песка, в основном образуется скрытокристаллическая структура низкоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция.

8. Получены двухфакторные квадратичные зависимости водопотребности и прочности кладочных растворных смесей от заданной подвижности растворной смеси и расхода органоминеральной добавки.

9. Разработана технология производства кладочных растворов на основе портландцемента и органоминеральной добавки, обеспечивающей прочностные показатели, и подвижность, нерасслаиваемость, водоудерживающую способность, водонепроницаемость, жизнеспособность.

10. Разработаны составы кладочных растворов, обеспечивающих получение марок 15, 10, 7,5 и 5 со средней плотностью свыше 2100 кг/м3, с водоудерживающей способностью свыше 96,8 % и жизнеспособностью около 6 часов.

11. Разработаны Технические условия на кладочные растворы на основе пылевидного отхода сушки песка и рекомендации по технологии приготовления кладочных растворов на основе портландцемента и органоминеральной добавки для возведения кирпичных и каменных кладок.

12. Разработанные нормативные документы были внедрены в производственных условиях на предприятии ОАО «АРСП» при производстве ОМД и кладочных растворов на ее основе.

13. Использование нанокатализаторов (углеродные трубки и фуллерены) в небольших количествах в составе кладочного раствора на основе пылевидного отхода позволяет снизить стоимость раствора при сохранении его прочностных характеристик и морозостойкости.

Основные публикации по теме диссертации

1. Баранов Н.П., Чистов Ю.Д. Научно-филосовско-технический подход решения задач получения кладочных растворов с использованием пылевидных отходов сушки песка, модофицированных химическими добавками./ В сб. Юбилейной десятой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности. - М.:МГСУ, 2007.-с.383-386.

2. Баранов Н.П., Чистов Ю.Д. Кладочные растворы на основе пылевидного отхода сушки песка, модифицированные химическими добавками./ А сб. Инновационные научно-технические и научно-методические разработки МГСУ, - М.: ИГСУ, 2007. - с.13-15.

3. Баранов Н.П. Кладочный раствор с использованием пылевидных отходов сушки песка./ В сб. Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности». - М.: 2009. - с. 389-392.

4. Баранов Н.П. Кладочный раствор с использованием пылевидных отходов сушки песка./ Вестник МГСУ. - М.: МГСУ, 2/2009. - с.139-142.

5. Баранов Н.П., Чистов Ю.Д. Кладочный раствор./ Патент на изобретение №2363679. - М.: МГСУ, 08/2009.

Размещено на Allbest.ur