Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология тугоплавких неметаллических материалов

Диссертационная работа:

Зырянова, Валентина Николаевна. Водостойкие композиционные магнезиальные вяжущие вещества на основе природного и техногенного сырья : диссертация ... доктора технических наук : 05.17.11 / Зырянова Валентина Николаевна; [Место защиты: Том. политехн. ун-т].- Томск, 2010.- 320 с.: ил. РГБ ОД, 71 11-5/40

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность работы

Наряду с портландцементом, затраты на производство которого остаются высокими, в строительстве необходимо использовать другие виды вяжущих веществ. Таковыми могут быть магнезиальные и композиционные магнезиальные вяжущие вещества, полученные из местного сырья и магнийсодержащих техногенных отходов.

Магнезиальные вяжущие вещества являются активным компонентом строительных композиционных материалов: магнезиальных растворов, штукатурных смесей, ксилолитовых масс, искусственного мрамора, пеномагнезита, декоративных облицовочных плит.

Магнезиальные вяжущие, приготовленные на основе магнезиальнокарбонатного сырья, ограничены в применении в виду малого количества месторождений магнезита, высоких затрат на перевозку на дальние расстояния.

С другой стороны, техногенные и природные некондиционные магнийсодержащие отходы в больших количествах накапливаются на горно-обогатительных комбинатах, предприятиях огнеупорного, металлургического производства, получения солей магния. Вследствие этого высокомагнезиальное и магнезиальносиликатное сырье исчисляется сотнями тысяч тонн, и количество его продолжает увеличиваться, что ведет к загрязнению окружающей среды и осложнению экологической обстановки в целом.

Особую актуальность приобретает вопрос разработки водостойких композиционных магнезиальных вяжущих материалов с вовлечением в производство как местных техногенных, так и природных силикатов магния. В результате целенаправленного управления процессами гидратации и оксохлоридообразования, формирования водостойких кристаллизационных структур твердения в системе MgO-MgCl2-силикат магния, возможно получение композиционных магнезиальных вяжущих материалов с одновременным повышением прочности, водостойкости и других эксплуатационных характеристик. Разработка составов и технологии водостойких композиционных магнезиальных вяжущих на основе силикатов магния способствует решению проблемы получения качественных вяжущих и расширению номенклатуры строительных материалов, и вместе с этим улучшению экологической обстановки в регионах Российской Федерации.

Работа была выполнена в рамках государственных научных и научно-технических программ: 1990-1996г.г. - в соответствии с планами работ Сибирского Отделения РАН по проблеме «Химия твердого тела», подпрограмма «Новые материалы и технологии»; 1996-2004 г.г. – в соответствии с планами НИР НГАСУ (Сибстрин) – Разработка научных основ получения вяжущих строительных материалов на основе магнийсодержащих промышленных отходов; 2004-2009 г.г. - Разработка новых строительных материалов и ресурсосберегающих технологий их производства.

Цель работы – установление физико-химических закономерностей, критериев оценки гидратационной активности, методов управления процессами фазообразования и формирования структур твердения и свойств композиционных магнезиальных вяжущих материалов с использованием природных силикатов магния и кальция, техногенных сырьевых компонентов; разработка технологических принципов их рационального использования для изготовления композиционных магнезиальных вяжущих и строительных материалов на их основе.

Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:

-анализ состава и структуры различного техногенного и природного магнийсодержащего сырья, проведение его классификации и определение области применения при получении композиционных вяжущих веществ;

-определение методов активации и условий термообработки, позволяющих получить вяжущие вещества из таких отходов производства, как отсевы при обогащении брусита, пыли при обжиге брусита, высокомагнезиальные шламы от переработки хлоридных рассолов; исследование состава продуктов гидратации получаемых вяжущих веществ и влияния примесей (хлоридов натрия, кальция, карбоната кальция) на свойства образующегося искусственного камня;

- определение гидратационной активности и методов ее повышения у среднемагнезиальных отходов с содержанием 15-45 мас.% MgO, образующихся при добыче, обогащении и переработке диопсидов, серпентинитов, дунитов;

-исследование изменения структуры и свойств диопсида, дунита, серпентинита при их механической активации в энергонапряженных аппаратах;

-исследование свойств композиционных магнезиальных вяжущих веществ, содержащих в качестве наполнителей волластонит, диопсид, известняк, микрокремнезем;

-исследование влияния добавок солей на структуру и свойства композиционных вяжущих веществ;

-исследование свойств композиционных магнезиальных вяжущих веществ, содержащих в качестве наполнителей техногенные силикаты магния;

-разработка технологических схем получения композиционных магнезиальных вяжущих веществ на основе природных и техногенных силикатов магния.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней установлены закономерности и методы управления процессами фазообразования и формирования структуры и свойств композиционных магнезиальных вяжущих материалов с использованием природных силикатов магния и кальция, техногенных сырьевых компонентов; разработаны технологические принципы их рационального использования для изготовления композиционных вяжущих веществ и строительных материалов на их основе, при этом установлено следующее:

1. Гидратационная активность магнезиального сырья определяется содержанием MgO, степенью кристалличности (дефектностью) структуры; дисперсностью; морфологией образующегося оксида магния, что является следствием кристаллохимической природы исходного сырья и способа его переработки, что положено в основу предложенной классификации сырья: высокомагнезиальное с содержанием MgO не менее 65% (I класс); магнезиальное с содержанием MgO 45-65% (II класс); среднемагнезиальное с содержанием MgO 15-45% (III класс); низкомагнезиальное с содержанием MgO не более 15% (IV класс). При использовании техногенного высокомагнезиального сырья, такого как высокодисперсные бруситовые и периклазовые порошки и пыли, магнезиальные шламы от переработки хлоридных рассолов после удаления хлоридов натрия и кальция, необходима их активация механическим измельчением, а в случае бруситовых отходов и магнезиальных шламов также предварительная термическая обработка при температуре 450 - 5000С. Продукты гидратации в системе MgO – MgCl2 – H2O представлены в основном гидроксохлоридами магния.

2. Механическая активация среднемагнезиального сырья с содержанием 15-45% MgO (III класс) (диопсид, дунит, серпентинит) приводит к аморфизации кристаллических фаз и деструкции их кристаллических решеток, что способствует повышению их активности в процессе гидратационного твердения. Механическая активация серпентина вызывает структурные нарушения в октаэдрическом слое решетки с ослаблением и разрывом связи Mg – OH, нарушением связи Mg – O – Si. Механическая активация диопсида способствует разупорядочиванию кристаллической структуры с разрывом связей Ca –O – Si, Mg – O – Si. Механическая активация дунита приводит к аморфизации оливина и форстерита и механической деструкции серпентина и брусита.

3. Формирование водостойких (прочных) структур в композиционном магнезиальном вяжущем определяется: активностью оксида магния; формированием преимущественно тригидроксохлорида магния; природой модифицирующих ионов в жидкости затворения; природой и активностью микронаполнителя.

4. Критериями качества, определяющими активность микронаполнителя, являются: высокая химическая стойкость в воде, в агрессивных средах; высокая механическая прочность. Эффективность действия веществ, составляющих микронаполнитель, определяется близостью его удельной энтальпии образования, энергии кристаллической решетки, энтропии к аналогичным характеристикам оксида магния. К числу эффективных микронаполнителей композиционных магнезиальных вяжущих веществ относятся диопсид, волластонит. Повышению механической прочности и водостойкости продуктов твердения композиционных магнезиальных вяжущих веществ способствует введение в жидкость затворения солей с многозарядными катионами, способными к обмену с ионом Mg2+. Введение в раствор хлорида магния, используемый при затворении вяжущего, 10% солей с трехзарядными катионами (Al3+, Fe3+, Cr3+) способствует ускорению набора прочности при твердении. Наиболее эффективно действие CrCl3 и NH4Fe(SO4)2 12H2O.

5. Влияние микронаполнителей на свойства композиционного вяжущего обусловлено их кристаллохимической природой и дисперсностью. При среднеобъемном размере зерен наполнителя равном 30-40 мкм (волластонит, диопсид) оптимальная концентрация составляет 70-80 мас.%. При среднеобъемном размере зерен 10 мкм и менее (известняковая мука, микрокремнезем) оптимальная концентрация снижается до 40 мас.%.

6. Водостойкость продуктов твердения композиционных магнезиальных вяжущих веществ определяется содержанием микронаполнителя, активацией поверхности микронаполнителя использованием солей трехзарядных катионов, кристаллизацией гидроксохлоридов магния на поверхности микронаполнителя, уменьшением содержания остаточного MgO и метастабильного пентагидроксохлорида магния. Прочность продуктов твердения композиционных магнезиальных вяжущих веществ определяется контактной прочностью на границе микронаполнитель-магнезиальный камень. Высокой механической прочностью и водостойкостью обладают композиционные вяжущие вещества, в которых соотношение силикатов магния и MgO составляет (по массе) 70:30 или 80:20. При этом тонкоизмельченные силикаты магния выполняют в системе с магнезиальным (оксохлоридным) твердением роль как микронаполнителя, способствующего повышению плотности и водостойкости образующегося камня, так и активного компонента, участвующего в образовании прочной кристаллизационной структуры. При взаимодействии активированных силикатов магния с метастабильными гидроксохлоридами образуются смешанные гетероцепные полимеры с прочной силоксановой связью.

Практическая значимость работы

1. Предложены составы и технология композиционных магнезиальных вяжущих веществ с использованием промышленных отходов (авторские свидетельства СССР № 1756298, 1807026, патент России №2006110101/03). Они включают оксид магния, или магнезиальный шлам от переработки хлоридных рассолов, обожженный при 450-5500С, или бруситовую пыль. В качестве минеральных наполнителей используются измельченные отходы производства: диопсид, волластонит, дунит, серпентинит.

2. Установлено оптимальное соотношение минеральный наполнитель: MgO, равное: 70:30; 80:20 при удельной поверхности наполнителя 2,5-4,0 м2/г, композиционное вяжущее такого состава имеет высокую механическую прочность и водостойкость.

3. Рекомендован состав ксилолита на основе предложенного композиционного магнезиального вяжущего. При использовании в качестве микронаполнителя диопсида ксилолит имеет плотность 1300-1460 кг/м3, прочность при сжатии 26-35 МПа, коэффициент водостойкости 0,87-0,92.

4. Предложен состав пеномагнезита на основе разработанного магнезиального вяжущего плотностью 540-800 кг/м3, пределом прочности при сжатии 8-10 МПа, коэффициентом теплопроводности 0,09-0,13 Вт/мград.

5. Рекомендованы составы на основе магнезиального шлама, диопсида и стеклобоя для получения декоративных облицовочных плиток с повышенной водостойкостью (Кст. до 0,9), плотностью 1620-1870 кг/м3, прочностью при сжатии 23-30 МПа.

Реализация результатов исследований

Выполненные исследования по изучению свойств магнийсодержащих техногенных отходов и повышению их гидратационной активности показали принципиальную возможность получения магнезиальных и композиционных магнезиальных вяжущих материалов (заявка на патент №2008143041 от 29.10.2008). Укрупненные лабораторные испытания, проведенные в ИХТТИМС СО РАН совместно с центральной лабораторией «Сибакадемстрой», укрупненные испытания при получении оксида магния и бишофита из рассолов Знаменского месторождения (Иркутская область) с последующим получением магнезиального вяжущего материала на промышленной площадке ЗАО «Экостар-Наутех» показали возможность промышленной реализации технологии магнезиальных вяжущих материалов строительного назначения, и использования их для укрепления бортов алмазных карьеров, а также для изготовления креплений при подземных выработках в местах с высокой агрессией дренажных рассолов.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональной конференции по использованию промышленных отходов в строительстве (г. Красноярск, 1989г); Всесоюзной конференции «Физико-химические основы переработки бедного природного сырья» (г. Сыктывкар, 1989г); региональной конференции «Химия и экология» (г. Иркутск, 1989г); Всесоюзном симпозиуме мо механоэмиссии и механохимии (г. Чернигов, 1990г.); Международном симпозиуме по механохимии (г. Новосибирск, 1990г); научно-практических конференциях НГАСУ (Сибстрин) (г. Новосибирск, 1989, 1990, 1993, 1996-2009гг.); Всесоюзном совещании по химии цементов (г. Москва, 1991г); VIII семинаре «Дезинтеграторная технология» (г. Киев, 1991г); научной конференции ИХТТИМС СО РАН (г. Новосибирск, 1994г); XIII международном семинаре азиатско-тихоокеанской академии материалов «Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века» (г. Новосибирск, 2006г.); 64 Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (г. Самара, 2007г); международной выставке «Стройсиб» (г. Новосибирск, 2008, 2009, 2010г.); III(XI) Международном совещании по химии и технологии цементов (Москва, 2009г).

Публикации по работе

Основные положения диссертации опубликованы в 41 работе, включая 11 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 2 авторских свидетельства и патент РФ, положительное решение о выдаче патента РФ.

Структура и объем диссертационной работы

Работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 328 наименований, содержит 311 страниц машинописного теста и включает 60 рисунков, 60 таблиц и приложения.

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность доктору технических наук, профессору, Заслуженному деятелю науки Российской Федерации Верещагину Владимиру Ивановичу, а также коллективу кафедры технологии силикатов и наноматериалов ТПУ за обсуждение результатов, ценные предложения и постоянную помощь в выполнении работы.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net