Учебное пособие 1859

На правах рукописи

Гончарова Маргарита Александровна

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОМПОЗИТОВ ОБЩЕСТРОИТЕЛЬНОГО И СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ МАЛОИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИИ

Специальность 05.23.05 – «Строительные материалы и изделия»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Воронеж – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» и в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования « Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный консультант – доктор технических наук, профессор, академик РААСН Чернышов Евгений Михайлович

Официальные оппоненты Барбанягрэ Владимир Дмитриевич - доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», профессор кафедры технологии цемента и композиционных материалов

Хвастунов Виктор Леонтьевич - доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», профессор кафедры технологии бетонов, керамики и вяжущих

Ярцев Виктор Петрович - доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет», заведующий кафедрой конструкций зданий и сооружений

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитек- турно-строительный университет»

Защита диссертации состоится 25 мая 2012 года в 10 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, аудитория 3220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского ГАСУ.

Автореферат разослан 24 апреля 2012 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Проблема строительно-технологической утилизации техногенных отходов, несмотря на осуществленные научные и инженерные разработки, до сих пор не решена. Неиспользуемые отходы оказываются источниками загрязнения экосистем. Это приводит к закономерному ухудшению качества жизни и параметров биосферно-совместимой безопасной среды обитания человека. Ситуация осложняется тем, что в обозримом будущем не существует предпосылок для существенного сокращения образования отходов. Так, на отечественных металлургических предприятиях для производства одной тонны стали как целевого продукта в технологический процесс вовлекается до 10 т природных ресурсов. В результате металлургическое производство сопровождается крупнотоннажным образованием различных отходов.

При утилизации отходов металлургии в поле зрения ученых и инженеров оказалась лишь часть из их разновидностей. В большинстве случаев разработки касались доменных гранулированных шлаков, которые достаточно полно вовлечены в производство строительных материалов и изделий. За пределами рассмотрения и в результате этого малоиспользуемыми оказались такие грубо-, микро- и нанодисперсные отходы как конвертерные шлаки, металлургические шламы, пыли и другие твердые побочные технологические продукты, являющиеся потенциально полезными для применения их в стройиндустрии.

При решении проблемы утилизации малоиспользуемых на сегодня отходов металлургии ставятся две взаимосвязанные задачи: предотвращение негативного воздействия отходов на окружающую среду и обеспечение стройиндустрии и промышленности по производству строительных материалов и изделий вторичным сырьем.

Выполненная диссертационная работа с ее результатами рассматривается в составе масштабной задачи строительно-технологической утилизации техногенных отходов и раскрывает ее в отношении малоиспользуемых и неиспользуемых отходов металлургии, показывая возможность формирования на их основе систем твердения и строительных композитов.

В соответствии с этим целью диссертационного исследования является разработка технологических и технических решений по комплексной утилизации малоиспользуемых металлургических отходов в стройиндустрии на основе научных концепций и закономерностей структурообразования систем твердения и композиционных материалов.

Все разновидности отходов металлургии проходят определенные генезисные агрегатные, фазовые и вещественные преобразования при получении целевого продукта. Отходы, отличаясь химическим, минеральным, морфологическим составом, термодинамическим состоянием, являются носителями определенных, в том числе, специфических характеристик и свойств. И именно это делает их потенциально интересными для формирования систем твердения и структур композитов как общестроительного, так и специального назначения.

Практическое применение отходов может ориентироваться на использование их самостоятельной структурообразующей роли, а также на сочетание их

3

с известными неорганическими и органическими веществами (известью, цементом, битумом, полимерными смолами и т.п.). В отношении малоиспользуемых отходов металлургии это требует научного и инженерного рассмотрения.

Исходя из постановки проблемы и цели диссертационной работы, объек-

тами исследований принимаются:

малоиспользуемые отходы металлургии, требующие комплексной системной идентификации с применением современных физических и физикохимических методов и методик;

системы твердения, структура которых создается на основе физикохимически активных (или специально активируемых) малоиспользуемых отходов металлургии;

строительные композиты общего и спецального назначения с использованием в качестве их матриц получаемых систем твердения, а в качестве их наполнителей - зернистых отходов металлургии.

Ведущая научная концепция. Для получения композитов общестроительного назначения (цементных, силикатных и асфальтовых бетонов) предусматривается вовлечение силикатной (неметаллической) составляющей конвертерных шлаков и других отходов металлургии в структурообразование систем твердения. При этом прогнозируется возможность проявления самостоятельной активности микро- и наноразмерных частиц отходов, образующих за счет их химико-минералогического потенциала новые аморфные и кристаллические фазы «стартовых» систем твердения (СТ-0). Механизм самостоятельного твердения может активироваться с помощью целенаправленных высокотехнологичных приемов, в том числе механо–химических и физико-химических, с получением систем твердения «первого порядка» (СТ-I). Наряду с этим активность отходов может быть повышена при использовании их в смесях с традиционными минеральными и органическими вяжущими веществами, способными к активирующей роли, в результате чего возможно структурообразование систем твердения «второго порядка» (СТ-II). За счет специфических характеристик тугоплавкости, ферромагнитности предполагается возможность получения матриц, обладающих жаростойкими и магнитными свойства. Сочленение матриц СТ-0, СТ-I и (или) СТ-II с крупно-, мелко- и микрозернистыми техногенными материалами дает возможность конструирования структур композитов общестроительного и специального назначения (СК).

Таким образом, центральным вопросом диссертационных исследований является механизм структурообразования систем твердения и композитов, технология их получения, что и составляет предмет исследования.

Цель диссертационного исследования, его объект и предмет, принятая ведущая научная концепция предопределили следующий состав задач и содер-

жание работы:

1. Систематизировать материаловедческие задачи по проблеме комплексной утилизации техногенных продуктов металлургии; выявить и проанализировать основные характеристики наиболее перспективных видов техногенных материалов с целью более полного раскрытия их сырьевого потенциала в эффективных технологиях строительных композитов.

4

2.Обосновать фундаментальные положения, являющиеся исходными при раскрытии механизмов структурообразования композитов из отходов промышленности «по существу», а также разработать методологические и методические вопросы проектирования составов таких материалов.

3.Выделить совокупность факторов, определяющих формирование систем твердения строительных композитов на основе техногенных отходов и разработать подходы к управлению синтезом таких материалов. Экспериментально исследовать самостоятельную прочностную активность малоиспользуемых отходов металлургии и повысить ее комплексом современных приемов физикомеханической и физико-химической интенсификации.

4.Изучить процессы, протекающие при введении в матричные композиции крупно-, мелко- и микрозернистых техногенных продуктов, получив возможность управлять процессом структурообразования строительных композитов.

5.Исследовать строительно-технические свойства сухих строительных смесей, цементных и силикатных бетонов на основе конвертерных шлаков и других отходов металлургии.

6.Выявить возможности и особенности применения отходов металлургии

вдорожном строительстве (в основаниях дорог и насыпях, в асфальтобетонных покрытиях).

7.Исследовать специальные свойства жаростойких бетонов на основе цементных вяжущих с использованием в качестве тонкомолотых добавок и заполнителей огнеупорных техногенных отходов, исследовать магнитные герметизирующие композиции на основе эпоксидной смолы и отходов, обладающих ферромагнитными свойствами.

8.Разработать технологические и технические решения по производству строительных композитов широкого спектра на основе техногенных продуктов металлургии и внедрить результаты исследований.

Связь работы с научными программами фундаментальноориентированных и прикладных исследований. Исследования и разработки выполнялись в рамках гранта Министерства науки РФ «Создание высокоэффективных композиционных строительных материалов на основе шлаковых отходов металлургического производства» (2001 г.); в рамках программ фундаментальных исследований РААСН 2009 – 2012 гг.: «Теоретические и методологические основы создания эффективных композиционных материалов, расширение их сырьевой базы и разработка экологически чистых малоэнергоемких и нетрадиционных технологий» (2010 г.); «Структурообразование и технологии получения эффективных композиционных материалов с использованием, в том числе техногенных образований и отходов»; в рамках НИР по заданию тематического плана ВГАСУ: «Развитие теории и основ конструирования строительных наноструктурированных композитов нового поколения» (2008-2012 гг.).

5

Научная новизна работы.

1.На основе метода тестирования, диагностики и идентификации техногенных материалов по признакам структурообразующей роли в системах твердения и композитах оценен строительно-технологический потенциал малоиспользуемых отходов металлургии, что послужило основой формирования террито- риально-промышленного комплекса региона с развитой металлургической промышленностью. Выявлены отходы, обладающие самостоятельной активностью (конвертерные шлаки и др.), содержащие большое количество (до 18%) тонкодисперсных металлических составляющих, являющиеся техногенными песками

ищебнем, а также высокой огнеупорностью (до 1850°С).

2.Систематизированы и развиты теоретические представления о механизмах участия техногенных продуктов в структурообразовании систем твердения

истроительных композитов.

3.Предложена классификация систем твердения, включающая использование самостоятельного потенциала активности конвертерных шлаков и потенциала, повышаемого за счет механической и физико-химической активации.

4.Показано, что самостоятельная активность конвертерных шлаков реализуется как за счет взаимодействия индивидуальных кислотных и щелочных оксидов, так и за счет гидратации активных составляющих шлака – двухкальциевого силиката β-модификации (ларнита), четырехкальциевого алюмоферрита и др. Разработаны оптимальные составы матричных компонентов строительных композитов с учетом настоящего уровня переработки отходов и потенциально возможного в будущем на основе анализа свойств, проявленных системами твердения разного уровня.

5.Для активации конвертерных шлаков, относящихся к основным (модуль основности достигает 2,8), может быть эффективно использована его механохимическая обработка совместно с аспирационной пылью ферросплавного производства, имеющей коэффициент основности 0,1.

6.Получены системы твердения оптимального состава путем совместного

помола конвертерных шлаков экономически обоснованной удельной площадью поверхности 300 м2/кг с суперпластификаторами и нанодисперсными минеральными добавками. В результате снижается межзерновая пустотность частиц вяжущего, повышается реакционная способность частиц шлака, что приводит к значительному повышению прочности.

7.Получены системы твердения на основе конвертерных шлаков, прочность при сжатии которых достигает 50 МПа, за счет комплекса современных методов и приемов физико-химической активации. При этом оптимизация составов систем твердения, целенаправленное формирование структур (с анализом количественного и морфологического состава новообразований, а также характера пористости) и управление технологическими параметрами позволило получить матрицы, обладающие специальными свойствами: огнеупорностью до 1800°С и герметизирующими свойствами.

8.Установлена эффективность наполнения и модифицирования цементных вяжущих тонкодисперсными конвертерными шлаками и нанодисперсными пылями ферросплавного производства, заключающаяся в возможности замены

6

цемента в составе композиционного вяжущего до 80%, обеспечении более глубокого взаимодействия компонентов с гидрооксидом кальция, выделяющимся при гидратации клинкерных минералов цемента, повышения эксплуатационных характеристик.

9.Установлена возможность интенсификации процессов структурообразования и улучшения свойств асфальтобетонных композиций за счет применения

вих составах конвертерных шлаков. Подтверждена возможность получения плотных и долговечных асфальтобетонов на пористых шлаковых заполнителях с использованием в качестве минерального порошка отходов металлургии.

10.Обоснованы критерии эффективности материалов и изделий на основе отходов металлургии, учитывающие не только функциональную эффективность, но и экономическую, экологическую и социальную значимость разработок.

Практическая значимость и реализация работы определяется возмож-

ностями решения прикладных задач материаловедения и технологии строительных материалов, изделий и конструкций на основе шлаков и других отходов металлургического производства.

Результаты исследований позволили:

-установить, что для комплексного использования отходы металлургии должны быть переработаны с учетом их структурообразующей роли в строительных композитах (например, предлагаемая система пневмосепарации конвертерных шлаков позволяет использовать их металлическую часть в полимерных герметиках, а тонкодисперсную силикатную составляющую – в системах твердения неорганических строительных материалов);

-предложить составы строительных композитов общестроительного назначения на основе конвертерных шлаков, металлургических пылей и шламов, зернистых отходов металлургии для производства сухих строительных смесей, цементных мелкозернистых бетонов, а также силикатных материалов;

-разработать композиты специального назначения (жаростойкие цементные бетоны, герметизирующие магнитные композиции с использованием конвертерного шлака в качестве ферромагнитного наполнителя);

-обосновать технологию использования конвертерных шлаков в насыпях и основаниях для автомобильных дорог, в составах асфальтобетонов с разработкой «Рекомендаций по технологии применения конвертерных шлаков в элементах конструкций дорожных одежд из асфальтобетона»;

-разработать «Технологический регламент по производству изделий и конструкций из жаростойкого бетона».

Результаты исследований внедрены на предприятиях металлургической промышленности (ОАО «Новолипецкий МК) и предприятиях стройиндустрии Липецкого региона (ОАО «Завод Железобетон», ООО «Техно-Серик», ОАО «Липецкий комбинат силикатных изделий», ООО «Автобан-Липецк») с общим экономическим эффектом более 1,5 млн. руб. Научные и практические положения диссертации внедрены в учебный процесс Липецкого государственного технического университета: изданы учебные пособия и методические рекомендации по дисциплинам «Материаловедение», «Технология конструкционных материалов», «Технологии строительных материалов с использованием отхо-

7

дов» для студентов специальности «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»; использованы в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Результаты проведенной работы представлены и обсуждены: на V (Воронеж, 1999 г.), XV (Казань, 2010 г.) академических чтениях РААСН; на IV международной научно-технической конференции «Надежность

идолговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2005 г.); на международной научно-практической конференции «Оценка риска и безопасность строительных конструкций» (Воронеж, 2006 г.); на научно–технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пенза, 2008 г.); на международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве» (Воронеж, 2008г.); на научнопрактической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре» (Липецк, 2007 г.); на международной науч- но-технической конференции «ДОР–СМ: материалы для дорожного строительства» (Москва, 2009 г.); на международной научно-технической конференции «Создание среды жизнедеятельности биосферно-совместимой и развивающей человека» (Орел, 2009 г.); на международной научно–технической конференции «Наука и образование: архитектура, градостроительство и строительство» (Волгоград, 2010 г.), на ежегодных научно-практических конференциях ВГАСУ

иЛГТУ (2000-2011 гг.) и др.

Под руководством автора защищены две диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 54 научных статьях, в том числе 12 статей опубликовано в ведущих рецензированных изданиях и 5 монографиях; на разработки получено два патента.

Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены лично автором, а также в рамках руководства исследованиями, в котором автору принадлежит определяющая роль в формулировке проблем, целей и задач исследований, в планировании и проведении экспериментов, анализе и обобщении полученных результатов. Автору во всех работах, опубликованных в соавторстве, в равной степени принадлежит сформулированные теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, их анализ и обобщение, раскрывающие научную новизну работы, а также прикладные разработки, подтверждающие ее практическую значимость.

Достоверность научных результатов обеспечивается: концептуально-

методологически и методически обоснованным комплексом системных исследований, обеспечивающих раскрытие механизма и существа процессов структурообразования; корректной постановкой экспериментальных исследований; статистической обработкой с заданной вероятностью при необходимом количестве повторных испытаний; сопоставлением результатов, полученных разными методами.

Объем и структура работы. Диссертационная работа объемом 350 страниц машинописного текста состоит из введения, 7 глав, основных выводов и приложений, включает 85 рисунков и 61 таблицы. Список литературы содержит 399 наименований.

8

Автор защищает:

комплексную постановку проблемы строительно-технологической утилизации отходов, ориентированную на формирование комплекса малоотходных производств целевых и побочных продуктов металлургии;

предложенную систематизацию и классификацию по генезису в металлургическом производстве отходов с позиций их структурообразующей роли в производстве строительных композитов;

результаты комплексного тестирования малоиспользуемых конвертерных шлаков и других отходов с учетом механизма их потенциальной активности в процессах структурообразования систем твердения и строительных композитов;

подход к систематизации механизмов структурообразования систем твердения и композитов на основе отходов металлургии и результаты экспериментальных исследований их свойств;

технологии производства композитов общестроительного и специального назначения на основе малоиспользуемых отходов металлургии;

результаты практической реализации разработок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Концепции и стратегия постановки проблемы строительно-

технологической утилизации техногенных продуктов металлургии Исходные концепции: экологии и устойчивого развития, нацеленные на

создание биосферно-совместимой среды обитания человека в развитой техносфере; повышения эффективности природно-техногенного ресурсного потенциала территории; необходимости включения мониторинга ресурсной среды региона в инвентаризацию и классификацию отходов с формированием терри- ториально-промышленных комплексов. При этом природное сырье и отходы рассматриваются как технико-экономическая и экологическая альтернативы.

Методологические принципы осуществления исследований: учет пре-

дыстории постановки и развития проблемы; комплексность и системность решаемых задач; использование фундаментальных положений при постановке материаловедческих и технологических задач, раскрытие механизмов структурообразования систем твердения и композитов «по существу»; современное техническое оснащение экспериментальных исследований; прикладная и практическая нацеленность результатов работы.

Методические основы работы: применение метода тестирования, диагностики и идентификации отходов по признакам возможной структурообразующей роли в системах твердения и композитах; использование модельных систем твердения в исследованиях с выходом к реальным системам; использование методики последовательного изучения условий формирования структурных уровней от систем твердения как нано- и микроразмерных структурных составляющих матрицы композитов к мезо- и макроструктурам, содержащим включения зернистых составляющих; комплексное применение физикохимических методов идентификации структур в совокупности с методологией комплексной оценки свойств композитов; вероятностно-статистическая трактовка результатов исследований с оценкой их изменчивости и достоверности.

9

Отличительные признаки содержания диссертационной работы. В об-

щее рассмотрение включены все твердые отходы металлургии (шлаки, пыли, шламы и другие). В составе этих отходов в качестве основных структурообразующих компонентов выделены для комплексного изучения крупнотоннажные малоиспользуемые отходы (конвертерные шлаки и др.). Выделенные разновидности отходов рассматриваются как компоненты систем твердения строительных композитов. При создании композитов в рассмотрение вовлечены ранее исследованные доменные шлаки: шлаковая пемза и литой шлаковый щебень, при этом подвергаются пересмотру целесообразность и полезность технологий их использования. С учетом основных научных концепций, закономерностей структурообразования строительных композитов и критериев эффективности предлагаются новые инженерные решения утилизации малоиспользуемых и не рационально применяемых техногенных продуктов металлургии.

Теоретические вопросы разработки систем твердения и строительных композиционных материалов на основе вторичного сырья

В соответствии с теорией полиструктурности строения (Соломатов В.И., Баженов Ю.М., Рыбьев И.А., Чернышов Е.М.) материалы на основе отходов рассматривались как строительные композиты, представляющие собой одно- родно-неоднородные системы с многоуровневой иерархически организованной конгломератной структурой, каждый масштабный уровень которой представляет собой двухкомпонентное образование из пространственно непрерывной матрицы и детерминированно-стохастически распределенных в ней дискретных включений. Многокомпонентность и специфичность техногенных материалов (в том числе ультрадисперсных и наноразмерных) заставляет рассматривать проектируемые композиты в контексте дифференциации их по структурным уровням (рис. 1).

Рис. 1. Дифференциация масштабных уровней систем твердения и строительных композитов для управления механизмом структурообразования

10