Повышение эффективности строительных материалов за счет механохимической активации бесклинкерных вяжущих композиций - Автореферат

Повышение эффективности строительных материалов за счет механохимической активации бесклинкерных вяжущих композицийОдно из перспективных направлений в этой области - производство строительных материалов и изделий на основе мало-и бесклинкерных вяжущих веществ с использованием местного природного сырья и отходов промышленности, в частности известково-кремнеземистых вяжущих, композиционных алюмосиликатных вяжущих и др. Выбор эффективного способа активации исходных сырьевых материалов с точки зрения максимальных модифицирующих эффектов активации и минимальных удельных энергетических затрат позволит не только повысить качество строительных материалов, но и управлять процессами структурообразования вяжущих композиций. Сформулированы теоретические положения создания эффективных силикатных материалов и изделий на основе активированных бесклинкерных вяжущих, заключающиеся в механо-и механохимической активации силикатных и алюмосиликатных материалов и учитывающие термодинамическое формирование структуры сырьевых материалов. Доказано, что процессы структурообразования в бесклинкерных вяжущих можно регулировать, изменяя способ и условия измельчения исходного сырья, что позволяет повысить эффективность композиционных материалов и изделий. Предложен способ получения известково-кремнеземистых вяжущих с максимальной эксергией, позволяющий прогнозировать оптимальные строительно-технические свойства материалов и изделий на их основе, а также энергетические затраты на их производство.Модифицирование бесклинкерных вяжущих интенсивными физико-химическими воздействиями в аппаратах различной энергонапряженности определяет первоначальное состояние твердеющей системы, изменяет параметры структуры твердой фазы, реакционную способность вяжущих веществ, их дисперсность, морфологию, способность к образованию многочисленных и прочных контактов в единице объема, создает пространственные условия образования новой фазы в процессе измельчения. На характер изменений, происходящих в кристаллической решетке и составе минералов при измельчении, влияет природа химической связи элементов соединения, степень дефектности его кристаллической решетки, вид дефектов и т.д., что определяется в основном происхождением и типоморфизмом исходных материалов (рис. Образование новых фаз при МХА в виброистирателе позволяет не только увеличить скорость процессов гидратации и твердения, но и ускорить процессы структурообразования, которые, как показали исследования, определяются способом механического воздействия на измельчаемые бесклинкерные вяжущие. ДТА: а - ИПВ; б - ИЗВ; 1 - исходный перлит, зола; 2 - химически чистая система CAO SIO2 Ca2SO4·2H2O; 3 - исходное вяжущее; 4 - вяжущее, 10 мин. измельчения; 5 - вяжущее, 20 мин. измельчения Прокопец зависимость эффективной энергии активации Uэф для виброистирателя с учетом импульсности и повторности периодичности приложения разрушающей нагрузки ? запишется в виде: Uэф , (3) где Nц - количество ударов измельчающего тела на измельчаемый материал, определяемое частотой вращения вала вибратора; ?о-период одного цикла; ?ц - время протекания кинетических процессов в материале; Ry - предел прочности материала на удар.Разработаны теоретические основы и получены практические результаты целенаправленного структурообразования и улучшения свойств композиционных материалов путем изменения способа измельчения бесклинкерных вяжущих композиций. Установлено, что способ механического воздействия существенно влияет на морфологию исходных сырьевых материалов силикатного и алюмосиликатного состава, изменение дисперсности и гранулометрического состава вяжущих смесей, реакционную способность компонентов системы. Достигаемая тонкость измельчения, степень изменения структуры и свойства материалов зависят от многих взаимосвязанных факторов: времени измельчения, природы и типоморфизма материалов, технических характеристик и режима работы измельчающего аппарата, затрачиваемой полезной мощности на измельчение, вида и свойств среды, в которой оно происходит. Методами физико-химического и кинетического анализа и термодинамических расчетов установлено, что при механоактивации известково-кремнеземистых вяжущих протекают твердофазные реакции с образованием силикатов и алюмосиликатов кальция, синтез которых ускоряет процессы гидратации и твердения вяжущих композиций. Сила удара и импульс силы мелющего тела о частицу измельчаемого материала, обусловливающие повышение реакционной способности вяжущих композиций, зависят от вида измельчителя, структуры измельчаемого материала, количества подведенной энергии.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1.Сулименко Л.М., Урханова Л.А. Силикатные материалы и изделия на основе активированных известково-кремнеземистых вяжущих композиций: Монография. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2007. - 312 с.

2. Балдынова Ф.П., Урханова Л.А. Физическая и коллоидная химия: Уч. пособие. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2007. - 212 с.

3. Архинчеева Н.В., Константинова К.К., Урханова Л.А. Щелочные цементы на основе ультраосновных алюмосиликатных пород // Сб. материалов XXII науч. междунар. конф. молодых ученых в области бетона и железобетона.- Иркутск: Изд-во НИИЖБ, 1990. - С.6-8.

4. Урханова Л.А. Ячеистые бетоны на основе тонкомолотых многокомпонентных вяжущих //Сб. материалов XXIV международной конференции по бетону и железобетону. - М.: Стройиздат, 1992.- С.192 - 194.

5. Убеев А.В., Урханова Л.А. Активированные вяжущие вещества и пути их применения // Вибротехнология-92: сб. статей науч. школы стран СНГ.- Одесса, 1992. - С.93 - 96.

6. Сулименко Л.М., Урханова Л.А. Механоактивация техногенных продуктов - как резерв расширения сырьевой базы производства вяжущих материалов // Наука и технология силикатных материалов в современных условиях рыночной экономики: Сб. тез. докл. Всерос. совещания.- М.: Изд-во РХТУ, 1995.- С.69.

7. Сулименко Л.М., Урханова Л.А. Активированные известково-кремнеземистые вяжущие и изделия на их основе //Техника и технология силикатов.- 1995. -№3. - С.17 - 21.

8.Сулименко Л.М., Шалуненко Н.М., Урханова Л.А. Механохимическая активация вяжущих композиций //Известия вузов. Строительство. -Новосибирск: Сибстрин, 1995. - №11. - С.63 - 68.

9. Урханова Л.А. Влияние различных способов измельчения на свойства известково-кремнеземистых вяжущих //Теоретические основы строительства: Сб. науч. тр. 6-го Российско-польского науч. семинара.- М.: Изд-во МГСУ,1997.- С. 78 - 81.

10. Урханова Л.А., Гончикова Е.В. Вяжущие на основе отходов промышленности // Теоретические основы строительства: Сб. науч. тр. 7-го Польско-российского науч. семинара.- Варшава, 1998. - С.150-154.

11. Urkhanova L. Investigation of blended cements containing slag, fly-ash and silica-fume //Scientific report realized at the Department of Building Mineral Materials, Institut fur Gesteinshuttenkunde, RWTH, Aachen. - 25 p.

12. Балханова Е.Д., Урханова Л.А., Хардаев П.К. Коррозионностойкий бетон на основе перлитового вяжущего // Долговечность и защита конструкций от коррозии: Сб. материалов Междунар. конф.- М.:НИИЖБ, 1999. - С. 224 - 227.

13. Урханова Л.А. Механохимическая активация малоклинкерных и бесклинкерных вяжущих веществ // Актуальные проблемы современного строительства и природообустройства: Сб. науч. тр. Междунар. конф.- Благовещенск: ДАЛЬГАУ, 1999. - С.26-30.

14.Урханова Л.А., Балханова Е.Д. Вяжущие вещества на основе природного сырья и отходов промышленности Забайкалья //Экологобезопасные технологии освоения недр Байкальского региона: современное состояние и перспективы: Материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Улан-Удэ: Изд-во БИП СО РАН, 2000. - С. 179 - 180.

15. Урханова Л.А., Чимитов А.Ж., Пермяков Д.М. Синтезирование активированных бесклинкерных вяжущих на основе природного сырья и отходов промышленности //Энерго- и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов: Сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. «Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге ХХІ века». - Белгород: Изд-во БЕЛГТАСМ, 2000. - Ч. 2. - С. 426 - 430.

16. Урханова Л.А. Малоэнергоемкие строительные материалы из модифицированного механической активацией сырья //Сб. ст. Междунар. конф. «21 век - прогрессивные технологии». - Дархан: Изд-во МОНГТУ, 2001. - С.132-139.

17. Буянтуев С.Л., Урханова Л.А., Былкова Н.В. Получение облицовочных материалов на основе местного сырья, обработанных плазмой //Вестник Бурятского государственного университета, серия 9:Физика и техника, вып.1.-Улан-Удэ, 2001. - С. 74 - 79.

18. Урханова Л.А., Содномов А.Э. Твердофазные реакции с учетом активационных процессов при производстве строительных материалов // Вестник ВСГТУ, серия «Технические науки». - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2004. -№3. - С. 42-46.

19. Урханова Л.А., Чимитов А.Ж., Пермяков Д.М. Силикатные бетоны на основе активированного вяжущего из некондиционной извести и эффузивных пород // Строительные материалы. - 2004.-№8. -С. 40 - 42.

20.Urkhanova L., Khardaev P. Effective binder materials an d concrete on the basis of raw materials and waste products of Transbaikalia // Rational Utilization of Natural Minerals: Proceedings of International Conference, Mongolia, Ulaanbaatar, 2005. - pp. 66 - 71.

21.Урханова Л.А., Содномов А.Э. Повышение качества силикатных материалов с использованием комплексной механохимической активации вяжущих веществ // Вестник Бурятского государственного университета, серия 9:Физика и техника, вып.4.-Улан-Удэ,2005.- С. 181-189.

22. Урханова Л.А., Содномов А.Э., Костромин Н.Н. Пути повышения эффективности строительных материалов на основе активированных вяжущих веществ // Строительные материалы. - 2006. - №1. - С.34-35.

23. Урханова Л.А., Зубакин Б.А., Струганов В.Н. Мухор-Талинское месторождение перлитового сырья: возможности и перспективы его использования в стройиндустрии //Строительные материалы и изделия: Киев. - 2006. -№5. - С. 4-7.

24. Урханова Л.А. Высокодисперсные композиционные материалы //Наукоемкие химические технологии: Сб тез. докл. XI Междунар. конф. - Самара, 2006. - С. 225.

25. Хардаев П.К., Урханова Л.А. Сухие строительные смеси на основе известково-цеолитовых вяжущих веществ // Достижения, проблемы и перспективные направления теории и практики строительного материаловедения: Материалы Х Академических чтений РААСН.- Пенза- Казань, 2006.- С. 415 - 417.

26. Сулименко Л.М., Урханова Л.А. Пути снижения энергетических затрат на производство известково-кремнеземистых вяжущих веществ// Строительные материалы. - 2006.- №3. - С.63-65.

27. Урханова Л.А., Балханова Л.А. Получение композиционных алюмосиликатных вяжущих на основе вулканических пород // Строительные материалы. - 2006. - №5. - С.51-53.

28. Урханова Л.А., Заяханов М.Е. Вяжущие и бетоны на основе вулканических шлаков // Строительные материалы. - 2006. - №7. - С.63-65.

29. Урханова Л.А., Содномов А.Э. Влияние физико-химического модифицирования кварцевых заполнителей на свойства силикатных материалов //Известия ВУЗОВ. Строительство. - Новосибирск: Изд-во НГАСУ,2006. - №9. - С.17-21.

30.Урханова Л.А. Силикатный кирпич неавтоклавного твердения// Строительные материалы. - 2006. - №11. - С.51-53.

31. Урханова Л.А., Балханова Е.Д., Мангутов А.Н. Конструкционно-теплоизоляционный ячеистый бетон на основе композиционного перлитового вяжущего //Известия ВУЗОВ. Строительство.- Новосибирск: Изд-во НГАСУ, 2006. - №10. - С. 20-24.

32. Урханова Л.А. Механоактивированные композиционные вяжущие на основе эффузивных пород // Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века: Материалы междунар. семинара Азиатско-Тихоокеанской Академии материалов. - Новосибирск :Изд-во НГАСУ,2006. - С. 169-171.

33. Урханова Л.А., Дашицыренов Д.Д., Заяханов М.Е. Эффективный пенобетон на основе эффузивных пород //Строительные материалы.-2007. -№4. - С. 50-51.

34. Урханова Л.А., Содномов А.Э. Регулирование физико-механических свойств композиционных материалов механохимической активацией вяжущих //Строительные материалы.-2007. - №11.- С. 42-44.

35. Урханова Л.А., Чимитов А.Ж. Газобетон на основе активированных вяжущих композиций //Бетон и железобетон. - 2008. - №2.- С.9-12.

36. Урханова Л.А., Щербин С.А., Савенков А.И., Горбач П.С. Использование вторичного сырья для производства пенобетона //Строительные материалы.-2008. - №1.- С.34-35.

37. Урханова Л.А., Содномов А.Э. Эффективные облицовочные материалы //Известия ВУЗОВ. Строительство. - Новосибирск: Изд-во НГАСУ, 2008. - №7. - С. 30-34.

38. Патент на изобретение №2308428 РФ, МПК С04В 7/34 / Урханова Л.А., Содномов А.Э. Бесклинкерное вяжущее, №2006100543/03; Заяв. 10.01.2006; Опубл.20.10.2007, Бюл. №29; Приоритет 10.01.2006. - 7 с.

39. Решение о выдаче патента на изобретение РФ, МПК7 В29L31/10 от 03.04.2008 /Урханова Л.А., Содномов А.Э. Облицовочная плитка, №2007113405/03; Заяв. 10.04.2007; Приоритет 10.04.2007, №014557.

40. Решение о выдаче патента на изобретение РФ, МПК7 С 04 В 28/00 от 23.05.2008 / Урханова Л.А., Балханова Е.Д. Смесь для коррозионностойкого бетона, №2007111079/03; Заяв. 26.03.2007; Приоритет 26.03.2007, № 0120367.

Размещено на .ru

1. Разработаны теоретические основы и получены практические результаты целенаправленного структурообразования и улучшения свойств композиционных материалов путем изменения способа измельчения бесклинкерных вяжущих композиций.

2. Установлено, что способ механического воздействия существенно влияет на морфологию исходных сырьевых материалов силикатного и алюмосиликатного состава, изменение дисперсности и гранулометрического состава вяжущих смесей, реакционную способность компонентов системы. Достигаемая тонкость измельчения, степень изменения структуры и свойства материалов зависят от многих взаимосвязанных факторов: времени измельчения, природы и типоморфизма материалов, технических характеристик и режима работы измельчающего аппарата, затрачиваемой полезной мощности на измельчение, вида и свойств среды, в которой оно происходит.

3. Методами физико-химического и кинетического анализа и термодинамических расчетов установлено, что при механоактивации известково-кремнеземистых вяжущих протекают твердофазные реакции с образованием силикатов и алюмосиликатов кальция, синтез которых ускоряет процессы гидратации и твердения вяжущих композиций. Исследования показали, что протекание твердофазных реакций возможно в энергонапряженных аппаратах, где создаются высокая концентрация энергии в помольной камере, значительная частота и энергия взаимодействия мелющего тела с частицами измельчаемого материала.

4. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена кинетическая концепция подхода к пониманию механохимических реакций. Сила удара и импульс силы мелющего тела о частицу измельчаемого материала, обусловливающие повышение реакционной способности вяжущих композиций, зависят от вида измельчителя, структуры измельчаемого материала, количества подведенной энергии.

5. Установлены закономерности изменения энергетического параметра процесса механоактивации от типоморфизма исходного кремнеземсодержащего сырья и основных технологических параметров измельчителя. При увеличении разрушающего напряжения от 0 до 0,47 МПА потенциальный барьер разрыва молекулярных связей и активации бесклинкерных вяжущих понижается с 244 до 41,1 КДЖ/моль в зависимости от вида кремнеземистого компонента.

6. Интенсивные механические воздействия в сочетании с высокой энергонапряженностью в рабочей зоне аппарата позволили отнести стержневой виброистиратель к эффективным диспергаторам и механоактиваторам. Используя аналитический и экспериментальный подходы, можно на стадии проектирования приблизиться к оптимальным параметрам измельчителей нового поколения и режимам активации и модифицирования вяжущих композиций, позволяющим при оптимальных энергозатратах передать достаточное количество энергии обрабатываемым материалам для повышения их реакционной способности и получения заданных свойств.

7. Выявлены основные закономерности протекания физико-химических процессов в активированных известково-кремнеземистых вяжущих, определен качественный состав новообразований. Доказано, что механохимическая активация приводит к значительной аморфизации структуры алюмосиликатных компонентов, что интенсифицирует разрушение частиц алюмосиликатов и образование гелеобразных гидратов.

8. Доказана эффективность использования эксергетического анализа для выбора наиболее малоэнергоемкого и рационального способа измельчения бесклинкерных вяжущих. Путем эксергетического анализа доказано, что структура и химико-минералогический состав измельчаемых материалов определяют как эффективность механоактивации, так и необходимые энергозатраты на производство вяжущих веществ и бетонов.

9. Установлены дополнительные возможности механохимической активации вяжущих композиций в жидкой среде. В условиях высокоимпульсной гидродинамической активации известково-кремнеземистых вяжущих с некачественной известью (содержание пережога до 30%) происходит полная нейтрализация вредного действия пережога извести, обеспечивается деструкция уплотненной структуры пережженной извести. На основе активированных вяжущих с использованием низкокачественного сырья разработаны легкие и тяжелые силикатные бетоны, не уступающие известным бетонам по конструктивности и долговечности, что позволяет рекомендовать их для изготовления стеновых материалов и изделий.

10. Экспериментально подтверждена научная гипотеза об ускоренном синтезе композиционных алюмосиликатных вяжущих с использованием силикат-глыбы и алюмосиликатных материалов в условиях совместной гидромеханоактивации, существенно активизирующие процессы диссоциации исходных компонентов, в частности, силикат-глыбы, в результате чего ускоряются процессы гидратации и твердения композиционных алюмосиликатных вяжущих в целом.

11. Установлена последовательность и механизм твердения композиционно-алюмосиликатных вяжущих, идентифицирован фазовый состав новообразований, оптимизирован фазовый состав искусственного камня по критерию прочности и структуроустойчивости, выявлена стадийность их изменений во времени.

12. Доказано, что введение химических активаторов позволяет повысить прочность известково-кремнеземистых вяжущих в 2,5-3 раза. Замена традиционной добавки гипса на легкорастворимые сульфаты натрия и железа повышает прочность силикатного камня в 2,0-2,5 раза при сокращении дозировки добавок в 3-5 раз, ускоряет процессы структурообразования твердеющего камня и позволяет регулировать его микроструктуру для целенаправленного управления свойствами бесклинкерных вяжущих композиций.

13. Комплексная механохимическая активация известково-кремнеземистых вяжущих с использованием ускорителя твердения ПАВ улучшает реологические свойства вяжущих, снижает водотвердое отношение, сокращает режим ТВО на 2-4 часа без изменения прочностных показателей и снижает тепловые затраты на процессы твердения вяжущих композиций.

14. При получении эффективных материалов и изделий на основе активированных бесклинкерных вяжущих показано, что целенаправленным изменением природы поверхности заполнителей путем обработки химическими веществами или физическими методами можно эффективно управлять реакционной способностью и межфазными взаимодействиями в дисперсных системах, а следовательно, процессами структурообразования и качеством силикатных материалов и изделий.

15. Разработаны интенсивные энерго- и ресурсосберегающие технологии производства различных видов бетонов: ячеистых, легких, силикатных, коррозионностойких и других, предусматривающие использование активированных бесклинкерных вяжущих композиций.

16. Разработанные составы и способы получения бесклинкерных вяжущих композиций и материалов на их основе защищены патентами. Научно обоснованы и внедрены на ряде предприятий технологические рекомендации и нормативные документы при производстве силикатных материалов и изделий. Внедрение результатов диссертационной работы позволило получить значительный экономический эффект.