Структура и свойства модифицированных безобжиговых глиносодержащих материалов и композитов на их основе

Актуальность работы. Строительная отрасль успешно развивается в условиях повышения качества, расширения номенклатуры и снижения стоимости строительных материалов и изделий, при комплексном использовании материалов из местного сырья и отходов.

К числу важнейших направлений инвестиционных процессов в России относится развитие жилищного строительства, о чем свидетельствуют федеральная целевая программа «Жилище» на 2002;2010 годы. Для развития жилищного строительства необходимо обеспечить модернизацию и обновление оборудования, повышение эффективности технологий строительства и производства строительных материалов. Реализация этих программ в значительной мере основана на использовании средств граждан. Для создания условий экономической доступности жилья для граждан предусмотрены правовые, финансовые и организационно-технические мероприятия. Так, согласно приказа Министерства регионального развития Российской Федерации от 30 сентября 2010 г. № 438 определена среднерыночная стоимость 1 м общей площади по субъектам Российской Федерации (на 4 квартал 2010 г. — 23 250 руб. для Саратовской области и 29 900 руб. для Волгоградской области).

Указом Президента Республики Казахстан Н. А. Назарбаева от 20.08.2007 г. № 383 в рамках Государственной программы жилищного строительства утверждена стоимость 1 м общей площади по республике в сумме не более 56 515 тенге (порядка 12 000 руб.). Данные показатели могут быть достигнуты только при существенном снижении цен на материалы, изделия и готовую строительную продукцию.

Зарубежный опыт показывает целесообразность использования в малоэтажном строительстве возведения зданий с применением эффективных материалов и изделий из местных сырьевых ресурсов. Технология производства, при этом, отличается меньшей энергоемкостью, небольшим расходом вяжущего, широкой сырьевой базой и более простой технологией изготовления с конкурентоспособными показателями.

В работе использован принцип направленного регулирования свойств глины с целью обеспечения оптимальных условий для направленного формирования структуры композита, путем введения в систему добавки портландцемента. Однако, количество добавки цемента, ее целесообразность и эффективность зависит от минералогического состава глинистого сырья, поэтому проблема модификации глин в настоящее время остается актуальной. Среди многочисленных способов модификации свойств исследуемой системы наибольшее распространение получили физические, химические и комбинированные методы воздействия, однако отсутствие достаточной информации о их разработанности предопределяет необходимость проведения исследований в этой области. На основании вышеизложенного, автором были сформулированы цели и задачи исследования.

Цель и задачи исследования

Целью настоящих исследований является обоснование способов получения безобжиговых материалов на основе глиноцементных композиций модифицированных продуктами электрохимически активированных (ЭХА) водно-солевых растворов в комплексе с ацетоноформальдегидными смолами (АЦФ).

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи: проведение анализа существующих безобжиговых технологий и различных физико-химических методов модификации глиносодержащих композицийизучение закономерностей структурообразования глиноцементных составовопределение роли структурообразующих факторов (глиноцементное соотношение, вид и количество добавки), влияющих на формирование структуры глиноцементных систем и материалов на их основеразработка составов глиноцементных композитов, рекомендованных к производству и апробирование результатов исследования в производственных условиях.

Научная новизна работы:

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

— обоснована возможность интенсификации процессов гидратации и твердения цементной компоненты в глиносодержащем композите;

— определены механизмы модифицирующего воздействия продуктов ЭХА обработки водно-солевых растворов в комплексе с добавкой АЦФ на поверхность частиц глины, определяемые изменением внутренних сил дисперсной системы за счет Ыа+ катионного обмена, приводящее к самодиспергированию глинистых минералов, увеличению межпакетного пространства с интеркаляцией молекул АЦФ в структуру слоистого силикатаустановлены особенности процессов твердения безобжиговой модифицированной глиноцементной композиции;

— определена закономерность технологического процесса получения глиноцементной композиции модифицированной продуктами ЭХА водно-солевых растворов в комплексе с добавкой АЦФ.

Основные положения выносимые на защиту:

— разработанные составы безобжиговых глиноцементных материалов, модифицированных продуктами ЭХА водно-солевых растворов в комплексе с добавкой АЦФ;

— механизмы модифицирующего воздействия продуктов ЭХА обработки водно-солевых растворов в комплексе с добавкой АЦФ на поверхность частиц глиныэкспериментально установленные зависимости, связывающие свойства компонентов безобжиговых глиноцементных материалов и влияния модифицирующих добавок, между свойствами и соотношением компонентов, их технологическими характеристикамирезультаты промышленных испытаний опытной партии безобжигового глиносодержащего кирпича в заводских условиях.

Практическая значимость. Практическая значимость диссертационной работы направлена на развитие энергои ресурсосберегающих технологий безобжиговых глиносодержащих стеновых материалов и определяется возможностями: расширения области знаний по регулированию свойств глиносодержащих материалов и композитов на их основе;

— определения оптимальных технологических составов и параметров изготовления безобжиговых глиноцементных композиций модифицированных продуктами ЭХА обработки водно-солевых растворов в комплексе с добавкой АЦФ для рекомендации к заводскому способу производстваразработки новых составов на основе безобжиговых модифицированных глиноцементных композитах (подана заявка на патент № 2 010 114 995 с приоритетом от 20.05.2010).

Реализация работы. Результаты диссертационной работы подтверждены промышленными испытаниями и использованы при выпуске опытной партии модифицированного продуктами ЭХА обработки водно-солевых растворов безобжигового глиноцементного кирпича в комплексе с добавкой АЦФ в заводских условиях (АО «Западно-Казахстанская корпорация строительных материалов» г. Уральск, Республика Казахстан).

Апробация работы. Апробация работы осуществлена на 4 конференциях и 1 симпозиуме: «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2007), «Прогрессивные материалы и технологии в строительстве» (г.Новосибирск, 2008), «Экономическое, социальное и культурное развитие Западного Казахстана.», (г.Уральск Республика Казахстан, 2008), «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий», (Саратов, 2009), «Социально-экономические проблемы жилищного строительства и пути их решения в период выхода из кризиса» (Саратов, 2010).

Публикации. По теме диссертации имеется 9 публикаций, в том числе 2 из них в журналах рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 26 рисунков, 51 таблицы и списка литературы из 147 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

1. Разработанные составы модифицированных безобжиговых глиноцементных композиций обладают стабильными физико-механическими характеристиками, позволяющие использовать их в строительстве малоэтажных жилых и сельскохозяйственных зданий.

2. Доказано, что продуктами ЭХА обработки водно-солевых растворов в комплексе с добавкой АЦФ достигается стабильная структура безобжигового глиноцементного композита за счет модификации поверхности частиц глины. Модифицирование происходит за счет диспергирования поверхности глинистых частиц ионами Ыа+, входящих в продукты ЭХА обработки водно-солевых растворов, и увеличения межпакетного пространства глинистых минералов с интеркаляцией молекул АЦФ в структуру слоистого силиката.

3. Результаты экспериментов по изучению физико-химических процессов, происходящих в модифицированной глиноцементной композиции показывают, что АЦФ является полифункциональной добавкой как для глины, так и для цемента. Основной технологической задачей при этом является оптимальный подбор количественного сочетания глины (с учетом их адсорбционной активности, минералогического и гранулометрического составов), продукта ЭХА, добавки АЦФ, добавки цемента, наличия заполнителей и параметров прессования.

4. Установлены основные зависимости, связывающие свойства компонентов безобжиговых глиноцементных материалов и влияния модифицирующих добавок, между свойствами и соотношением компонентов, их характеристиками. На их основе определены оптимальные параметры и составы за счет использования комплексной активизации и модификации композита.

5. Для достижения эффективной интенсификации процесса твердения безобжиговой глиноцементной композиции модифицирующее воздействие необходимо осуществлять перед добавкой цемента. Предложенный способ регулирования структурообразования глиноцементного композита, заключающийся в модифицировании поверхности глинистых частиц органоминеральными образованиями в определенных интервалах (при содержании цемента 10% от массы глины, удельном давлении прессования 20-ЗОМПа, содержании кварцевого песка, Мк=1,5 — 20−30%, В/Т=0,12−0,14) интенсифицирует рост кристаллогидратов цементной составляющей и выражается в повышении функциональных свойств материала.

6. Разработанные составы модифицированного безобжигового глиноцементного композита (глина 60% по массе, цемент 10% по массеАЦФ 3% от массы цемента, кварцевый песок Мк=1,5 30% по массе, давление прессование 20 МПа, удельная поверхность глины 2500—3200 см2/гжидкость затворения католит, влажность смеси 14% по массе) позволят получить энергоэффективные и ресурсосберегающий строительный материал с заданными физико-механическими характеристиками.

7. Результаты исследований промышленных испытаний опытной партии безобжигового глиносодержащего кирпича подтверждают результаты экспериментов. Изделия соответствуют марке 125 и удовлетворяют требованиям ГОСТ 6133–99. Экономический эффект от внедрения результатов исследований составит порядка 8 млн. рублей (в базисных ценах 2008 года) при производстве 5 млн. усл. кирпича в год.