Композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического кирпича, растворы и бетоны на их основе

В последнее десятилетие мировое сообщество пересмотрело стратегию дальнейшего развития земной цивилизации, выдвинув взамен доминировавшего направления безграничного «научно-технического прогресса» стратегию «устойчивого развития», основные критерии которойограничение потребления природных ресурсов, энергосбережение, защита окружающей среды [1]. Эти же критерии являются базовыми и в стратегии развития строительного комплекса [2, 3]. В «Стратегии развития строительного комплекса Российской Федерации на период до 2010 г.» [4] ставятся задачи рационального использования мировых природных ресурсов и вовлечения в производство техногенных отходов различных отраслей промышленности, замещения на 20 — 30% природного сырья производственными и бытовыми отходами в производстве строительных материалов. Вопросы эффективности и экологические аспекты использования отходов промышленности в производстве строительных материалов нашли широкое отражение в исследованиях большинства НИИ и вузов строительного профиля [5−8 и др.]. Вместе с тем состояние использования отходов промышленности в производстве строительных материалов нельзя назвать удовлетворительным. Наиболее крупные по объемам в отвалах, занимающих десятки тысяч гектаров земли, скопились шлаки металлургической промышленности и золошлаки ТЭС. Только в отвалах металлургических комбинатов Урала и Сибири скопилось более 450 млн. т доменных шлаков. Ежегодный выход каждого их них составляет более 30 млн. т. И, если в других технически развитых странах объемы утилизации ежегодных отходов промышленности достигают 80−90%, то в нашей стране этот показатель не превышает 10 — 15%. Металлургические шлаки используют в качестве заполнителей для бетонов, материалов для отсыпки дорог, в производстве шлакопортландцемента. Металлургические, в частности, доменные шлаки представляют ценность как сырьевой компонент в производстве минеральных вяжущих веществ — шлакопортландцемента, известково-шлаковых, гипсоизвестковошлаковых, сульфатношлаковых, шлакощелочных. Производство шлакопортландцемента, в котором доменный шлак используется в значительных объемах, в нашей стране в последние годы существенно снизилось по объемам в связи с возросшей потребностью в бездобавочных цементах. Производство портландцемента представляет собой весьма энергоемкий процесс, сопровождающийся высокими объемами выбросов углекислого газа в атмосферу. С ростом цен на энергоресурсы систематически растут цены на портландцемент и его разновидности.

В этих условиях актуальным становится развитие производства наиболее эффективных по технико-экономическим показателям и наименьшим объемам вредных выбросов в окружающую среду шлакощелочных (ШЩВ) и бетонов (ШЩБ) на их основе. Эта эффективность была доказана отечественными исследованиями в период 60-х — 80-х годов прошлого столетия школой Глуховского В. Д., НИИЖБ и другими. Была показана возможность производства ШЩВ как рядовых, так и специальныхвысокопрочных, быстрои особобыстротвердеющих, жаростойких, радиационностойких и других. Были разработаны нормативные документы на требования к сырью, свойства и технологию производства и применение ШЩВ и ШЩБ на их основе. Осваивалось производство ШЩВ и ШЩБ в Украине, Перми, Липецке, Туле, Омске. Была показана эффективность применения шлакощелочных бетонов для производства изделий и конструкций для гражданского и промышленного строительства.

К середине 80-х годов по ряду причин — отсутствие дефицита цемента, отдельные неудачи в применении, дефицит щелочного затворителя, повышенное высолообразование и др. — производство ШЩБ снизилось, а затем практически прекратилось. Снизились и объемы исследований по разработке ШЩВ и ШЩБ.

Повышенные требования по ресурсо-, энергосбережению, защите окружающей среды в строительной отрасли, в том числе в производстве вяжущих веществ и бетонов приводят к необходимости наращивания исследований по разработке ИЛЦВ и ШЩБ и развития их производства. В последнее десятилетие получили развитие разработки композиционных вяжущих веществ, в том числе с использованием в качестве щелочных компонентов отходов различных отраслей промышленности. На базе достижений отечественной науки в этой области это направление получило развитие в других странах. В частности, Брандштетр И. [186] отмечает, что еще в 90-х годах прошлого столетия в Европе объем производства шлаковых, зольных, пуццолановых и специальных цементов достиг уровня объема производства бездобавочного портландцемента. Он же, формулируя в статье некоторые перспективы неорганических композиционных материалов XXI века, отмечает, что среди прочих ожидается значительный прогресс в использовании шлакощелочных бетонов.

Очевидно, что дальнейшее развитие науки и практики ШЩВ также будет идти в направлении разработок композиционных шлакощелочных вяжущих (КШЩВ). Тем более, что известными исследованиями показано, что в ШЩВ до 50% шлака может быть заменено материалами природного и техногенного происхождения. Производство таких вяжущих особенно актуально для регионов, не имеющих собственного производства портландцемента, к которым относятся республики Татарстан, Чувашия, Удмуртия и некоторые другие области Российской Федерации. Одной из разновидностей многотоннажного отхода являются строительные отходы, в частности бой керамического кирпича, образующийся на кирпичных заводах и при сносе ветхих зданий.

В настоящей работе на основе анализа известных особенностей структурообразования и твердения шлакощелочных вяжущих с минеральными добавками в качестве рабочей гипотезы выдвинуто предположение о возможности получения композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича с повышенными физико-механическими свойствами.

Цель работы: Разработка составов композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича, растворов и бетонов на их основе и исследование их свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

— установление зависимости свойств шлакощелочных вяжущих от удельной поверхности и гранулометрического состава шлаков Челябинского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов;

— исследование влияния добавок молотого боя керамического кирпича на свойства композиционного ШЩВ, свойства и структуру шлакощелочного камня, раствора и бетона на его основе;

— определение оптимального содержания добавок кирпичного боя и способа совмещения компонентов в составе композиционного шлакощелочного вяжущего;

— разработка рациональных составов бездобавочных и с добавками молотого боя керамического кирпича шлакощелочных вяжущих и бетонов на их основе;

— разработка проекта технических условий на композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического кирпича.

Научная новизна работы:

1. На основе выявленных закономерностей и установленных зависимостей свойств вяжущих, растворов и бетонов от вида и удельной поверхности молотых гранулированных доменных шлаков Челябинского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов, вида затворителей и содержания молотого боя керамического кирпича разработаны нормально-, быстрои особобыстротвердеющие композиционные шлакощелочные вяжущие марок до 1200 и бетоны на их основе классов по прочности до В80, по морозостойкости до.

F800 и по водонепроницаемости до W25.

2. Установлены закономерности и зависимости изменения нормальной густоты и сроков схватывания шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича, а также средней плотности, водопоглощения, прочности и кинетики твердения камня, растворов, водопроницаемость и морозостойкость бетонов на их основе от тонкости помола вяжущего, вида шлака и щелочного затворителя.

3. Показано, что введение добавок молотого боя керамического кирпича приводит к повышению степени гидратации и образованию более плотной и однородной тонкозернистой структуры и повышению прочности камня шлакощелочного вяжущего.

4. Установлены зависимости гранулометрического состава и содержания поверхностных зарядовых центров алюмосиликатной составляющих на прочность и сроки схватывания камня шлакощелочных вяжущих.

Практическая значимость работы.

— разработаны рациональные составы бездобавочных и композиционных с добавками молотого боя керамического кирпича нормально-, быстрои особобыстротвердеющих шлакощелочных вяжущих марок от М400 до М1200 и бетонов классов от В20 до В80;

— разработан проект технических условий на композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического кирпича.

Апробация работы.

Результаты проведенных исследований докладывались: на 55−57 Республиканских научно-технических конференциях (Казань — 2003;2005) — на 5 Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Наука. Инновации. Бизнес» (Казань — 2005). Результаты проведенных исследований опубликованы в сборниках трудов: 55−57.

Республиканских научно-технических конференций (Казань — 2003;2005) — Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (Саранск — 2003) — V Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (Тула -2004) — IIIV академических чтений РААСН «Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения» (Самара-2004) — Международной научно-практической Интернетконференции «Проблемы и достижения строительного материаловедения» (Белгород — 2005) — 5 Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Наука. Инновации. Бизнес» (Казань -2005) — II Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон — пути развития» (Москва — 2005) — в Вестнике отделения строительных наук (Нижний Новгород. — 2004) — в журнале Строительные материалы, (Москва — 2005, № 3, № 8).

Публикации.

По результатам работы опубликовано 13 статей и тезисов докладов, поданы 2 заявки на выдачу патента на изобретения.

Работа выполнена в соответствии с планами фундаментальных и прикладных исследований отделения строительных наук РААСН.

Автор защищает.

— разработанные составы рядовых, высокопрочных, нормально-, быстрои особобыстротвердеющих бездобавочных и композиционных шлакощелочных вяжущих, раСгворов и бетонов с добавками молотого боя керамического кирпича с повышенными эксплуатационными характеристиками на основе нейтральных и кислых шлаков соответственно Орско-Халиловского и Челябинского металлургических комбинатов.

— результаты исследований взаимосвязи удельной поверхности, w >

— гранулометрического состава и свойств шлакощелочных и композиционных шлакощелочных вяжущих;

— результаты исследований влияния добавок молотого боя керамического кирпича на свойства и структуру композиционных шлакощелочных вяжущих и бетонов на их основе.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из 5 глав, приложений и списка литературы, включающей 186 наименований. Основная часть работы изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков и 42 таблицы.

Автор выражает благодарность за постоянное внимание и консультации члену корреспонденту РААСН, профессору Рахимову Равилю Зуфаровичу.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. На основе выявленных закономерностей и установленных зависимостей свойств вяжущих, растворов и бетонов от вида и удельной поверхности молотых гранулированных доменных шлаков Челябинского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов, вида затворителей и содержания молотого боя керамического кирпича разработаны нормально-, быстрои особобыстротвердеющие композиционные шлакощелочные вяжущие марок до Ml200 и бетоны на их основе классов по прочности до В80, по морозостойкости до F800 и по водонепроницаемости до W25.

2. Показано, что введение добавок молотого боя керамического кирпича до 30% позволяет повысить прочность шлакощелочных вяжущих до 30−32%, а до 60% - равнопрочные с бездобавочными составами.

3. Установлены зависимости гранулометрического состава и содержания поверхностных зарядовых центров шлака от тонкости его помола.

4. Показано, что введение добавок молотого боя керамического кирпича приводит к повышению степени гидратации и образованию более плотной и однородной тонкозернистой структуры камня.

5. Показано, что продолжительность помола до 600 м /кг композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками 30%, 60% и 80% молотого боя керамического кирпича соответственно в 1,3 раза больше, 1,5 и 2 раза меньше, чем продолжительность помола бездобавочного до удельной поверхности 300 м /кг.

6. Выявлено, что бетоны на основе композиционных шлакощелочных вяжущих с добавками молотого боя керамического кирпича имеют пониженный уровень высолообразования по сравнению с бетонами на бездобавочном шлакощелочном вяжущем.

7. Разработан проект технических условий на композиционные шлакощелочные вяжущие с добавками молотого боя керамического кирпича.

8. Расчетная стоимость композиционного шлакощелочного вяжущего ниже стоимости портландцемента от 30% до 3 раз в зависимости от марки вяжущего и вида затворителя.