Загальна характеристика роботи
Актуальність роботи. Аналіз тенденцій світового розвитку будівельної галузі свідчить про необхідність збільшення рівня споживання портландцементу, що викликане потребами економіки, промислового, житлового та дорожнього будівництва. Разом з тим, цементне виробництво є однією з найбільш ресурсо- та енергоємних галузей промисловості. Тому головною тенденцією цементної промисловості є раціоналізація і комплексне використання природних, вторинних та паливно-енергетичних ресурсів для розробки високоефективних, енергоекономічних технологій і способів виробництва портландцементу.
Особливу актуальність дана проблема має для України, оскільки переважає частка мокрого способу виробництва цементу при витраті умовного палива в середньому 220-230 кг/т клінкеру. Враховуючи недостатнє забезпечення країни власними паливними ресурсами, тенденцію до суттєвого зростання ціни на природний газ, на сучасному етапі розвитку цементної промисловості важливе місце займає проблема раціонального і комплексного використання паливно-енергетичних ресурсів на всіх ланках технологічного процесу виробництва цементу. Така ситуація змушує з однієї сторони, ширше впроваджувати заходи по вдосконаленню технологічних процесів при випалі портландцементного клінкеру, вести пошук альтернативного палива до природного газу – кам’яного вугілля та горючих відходів, а, з іншої – зменшити вміст високоенергоємної клінкерної складової у складі змішаних цементів за рахунок ширшого введення техногенних продуктів промисловості в якості мінеральних добавок.
Узагальнення результатів досліджень в області хімії та технології в’яжучих матеріалів свідчить, що створення низькоенергоємних цементів досягається шляхом зниження витрати палива на випал портландцементного клінкеру за рахунок використання комплексних модифікаторів для глибокого обезводнення сировинних шламів, енергетичного застосування горючих відходів як технологічного палива, підвищення фізико-механічних характеристик змішаних цементів шляхом їх модифікування комплексними хімічними добавками поліфункціональної дії.
Зв’язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України за напрямом “Нові речовини і матеріали” і проекту Державного комітету України з науки, техніки і промислової політики “Наукові основи створення комплексних модифікаторів поліфункціональної дії для гідратаційно-активних силікатно-алюмінатних систем” (номер держреєстрації 0106U001335), НДР Міністерства освіти і науки України № М/136-2007 від 17.04.2007 р. „Розробка альтернативного палива та його використання в цементній промисловості – проект „AFP-CEMIND” EU 3723 та НДР “Розробка методів зниження витрати палива на випал портландцементного клінкеру на ВАТ “Миколаївцемент” відповідно до договору № 0219 від 22.01.2008 р. (номер держреєстрації 0108U006641).
Мета роботи і задачі дослідження. Розробка технології низькоенергоємних цементів шляхом модифікування сировинних цементних шламів, використання альтернативного палива при випалі портландцеметного клінкеру, зниження вмісту клінкерної складової у складі змішаних цементів та підвищення їх ефективності за рахунок комплексних модифікаторів поліфункціональної дії; оптимізація складів низькоенергоємних модифікованих цементів, дослідження процесів їх структуроутворення та будівельно-технічних властивостей.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:
дослідити особливості впливу модифікаторів різних класів на зниження вологості сировинних цементних шламів шляхом їх розрідження;
провести оптимізацію комплексної добавки для забезпечення необхідної плинності сировинного цементного шламу з врахуванням глибокого обезводнення з використанням методу експериментально-статистичного моделювання;
вивчити вплив заміни природного газу на альтернативні та нетрадиційні види палива на випал портландцементного клінкеру та фізико-механічні властивості портландцементу на його основі;
дослідити особливості впливу речовинного складу та поліфункціональних хімічних добавок на реологічні та фізико-механічні властивості низькоенергоємних цементів;
встановити фізико-хімічні закономірності процесів гідратації та структуроутворення низькоенергоємних модифікованих цементів;
розробити та провести оптимізацію складів низькоенергоємних цементів, модифікованих поліфункціональними добавками, та дослідити їх будівельно-технічні властивості;
виконати практичну апробацію енергоощадної технології одержання портландцементного клінкеру шляхом глибокого обезводнення сировинних шламів та використання альтернативних видів палива, а також модифікування комплексними хімічними добавками змішаних цементів та визначити техніко-економічну та екологічну ефективність їх виробництва.
Об’єкт дослідження: портландцементні клінкери, одержані з модифікованих сировинних цементних шламів шляхом випалу з використанням кам’яного вугілля і зношених автомобільних шин, та низькоенергоємні змішані цементи на їх основі, модифіковані комплексними хімічними добавками пластифікуюче-прискорюючої дії;
Предмет дослідження: процеси модифікування, випалу сировинних шламів та гідратації і тверднення низькоенергоємних цементів, модифікованих хімічними добавками, та шляхи направленого формування продуктів гідратації цементного каменю.
Методи дослідження: експериментальні результати, одержані із застосуванням методик фізико-механічних досліджень, а також комплексу сучасних методів фізико-хімічного аналізу, зокрема рентгенівської дифрактометрії, електронної та оптичної мікроскопії, ІЧ-спектроскопії, диференційно-термічного аналізів. Для оптимізації властивостей сировинних шламів та складів низькоенергоємних модифікованих цементів використано методи експериментально-статистичного моделювання.
Наукова новизна одержаних результатів:
вперше запропоновано критерії оцінки ефективності розріджувачів сировинних шламів, які визначаються коефіцієнтами плинності та водоредукування, що дозволяє інтегрально враховувати синергетичні ефекти складових комплексних модифікаторів та можливість глибокого обезводнення сировинних шламів при збереженні технологічної плинності дисперсної системи;
встановлено фізико-хімічні особливості модифікування властивостей сировинних цементних шламів комплексними добавками на основі поверхнево-активних речовин різних класів та високорозчинних електролітів, які виявляються в підвищенні плинності цементних шламів та зменшенні їх вологості;
показана можливість диверсифікації палива при випалі портландцементного клінкеру та встановлені закономірності процесів клінкероутворення з врахуванням присадки золи кам’яного вугілля та зношених шин;
- отримала подальший розвиток розробка наукових основ комплексного вирішення в цементній промисловості проблеми енергозбереження при одержанні модифікованих змішаних цементів шляхом використання поліфункціональних хімічних добавок, альтернативних видів палива і техногенних продуктів на відповідних технологічних ланках процесу виробництва;
визначені принципи одержання низькоенергоємних модифікованих змішаних цементів та встановлено область їх оптимальних складів, які забезпечують підвищену рухливість цементних композицій, прискорення процесів гідратації та направлене формування мікроструктури цементного каменю для одержання бетонів з покращеними експлуатаційними характеристиками.
Практичне значення одержаних результатів. На основі отриманих експериментальних даних розроблено ефективні технологічні методи для ресурсо- і енергоощадних технологій виробництва модифікованих змішаних цементів, що характеризуються заданими будівельно-технічними властивостями.
Розроблені комплексні модифікатори для глибокого обезводнення сировинних шламів ВАТ „Миколаївцемент” та ВАТ „Івано-Франківськцемент”, що дозволяє знизити вологість шламу на 7-9% та дає можливість системно вирішувати проблему зниження енергоємності портландцементних клінкерів. Показана можливість часткової та повної заміни основного технологічного палива для випалу портландцементного клінкеру – природного газу – альтернативними видами палива – кам’яним вугіллям та зношеними шинами. Розроблені технічні умови «Модифіковані змішані цементи» ТУ У 26.5-2071010-136:2010.
За результатами теоретичних та експериментальних досліджень запропоновано технологічні схеми виробництва низькоенергоємних цементів, які реалізовані на ВАТ “Івано-Франківськцемент” та ВАТ “Миколаївцемент” і на їх базі проведено випуск портландцементних клінкерів на основі модифікованих шламів та з використанням альтернативного палива, а також низькоенергоємних змішаних цементів, модифікованих поліфункціональними добавками. Зниження витрати палива на випал клінкеру, використання альтернативного палива, зменшення вмісту клінкерної складової модифікованих змішаних цементів за рахунок підвищеного вмісту мінеральних добавок, які є техногенними продуктами, вносить також позитивний вклад у розв’язання екологічної проблеми.
Особистий внесок дисертанта полягає в проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих даних, впровадженні результатів роботи у виробництво. Постановка завдання та формулювання основних положень і висновків проводились під керівництвом наукового керівника д.т.н., професора Саницького М.А. та к.т.н., доцента Марківа Т.Є.
Здобувач приймав участь у розробці і реалізації методик досліджень, здійсненні дослідно-промислових випробувань сировинних шламів, портландцементних клінкерів, випалених з використанням альтернативних видів палив, та низькоенергоємних цементів на їх основі з комплексними поліфункціональними добавками, а також складанні технічних умов на модифіковані змішані цементи.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на конференціях: технічному семінарі „Сучасний погляд на новий шлакопортландцемент” (Дніпроджержинськ, 2004 р.); ХХ науковій конференції Жешув-Львів-Кошице (Кошице, Словаччина, 2005 р.); V науково-практичному семінарі „Структура, властивості та склад бетону” (Рівне, 2006 р.); Міжнародній конференції „Лужноактивовані матеріали – дослідження, виробництво, утилізація” (Прага, Чехія, 2007 р.); ІХ міжнародній науково-практичній конференції „Дни современного бетона” (Запоріжжя, 2007 р.); ХІ міжнародній науковій конференції „Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля” (Львів, 2007 р.); міжнародному семінарі по моделюванню і оптимізації композитів “Комп’ютерне матеріалознавство і прогресивні технології” (Одеса, 2008 р.), науково-технічній конференції “Композиційні матеріали” (Київ, 2009 р.), V міжнародній науково-практичній конференції “Perspektywiczne opracowania są nauką і technikami” V.9 Budownictwo i architektura (Польща, 2009 р.) та на конференціях професорсько-викладацького складу Національного університету “Львівська політехніка” 2005-2009 рр.
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 13 наукових праць, в тому числі 5 - у вітчизняних наукових фахових виданнях, 8 - у матеріалах та тезах доповідей вітчизняних та міжнародних конференцій і семінарів.
Структура та об’єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаної літератури (154 найменувань) та 6 додатків. Повний обсяг роботи викладений на 165 сторінках машинописного тексту включаючи 120 сторінок основного тексту, які містять 38 таблиць, 42 рисунки.