CC BY
1825
-ЛЕТИЕ КАФЕДРЫ «СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ» ЛИПЕЦКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
История образования инженерно-строительного факультета в Липецком государственном техническом университете началась в 1961 г., когда на базе вечернего факультета Липецкого филиала Московского института стали и сплавов началась подготовка инженеров-строителей. В 1966 г. была создана кафедра «Промышленное и гражданское строительство» под руководством канд. техн. наук А.Н. Ерофеева, который на основе своего богатейшего опыта, приобретенного во время работы в Томском инженерно-строительном институте, профессионально организовал учебный процесс. Базой для становления специальных дисциплин стала лаборатория строительных материалов, созданная в 1966—1971 гг. канд. техн. наук А.К. Книппенбергом. В 1986 г. кафедру «Промышленное и гражданское строительство» Липецкого политехнического института возглавил канд. техн. наук А.Д. Корнеев, под руководством которого началась работа по организации новой специальности «Производство строительных материалов, изделий и конструкций». По мере подготовки первого набора студентов, проведенного в 1988 г., возникла необходимость организации специальной кафедры «Строительные материалы», возглавил которую А.Д. Корнеев. Первый выпуск кафедрой инженеров-строителей-технологов состоялся в 1993 г. Научное направление «Исследования структурообразования, технологии и проектирования составов строительных композиционных материалов специального назначения» на кафедре формировалось при непосредственном участии академика РААСН, д-ра технических наук, профессора, заслуженного деятеля науки РФ В.И. Соломатова.
С момента основания на кафедре подготовлены и защищены 4 докторские и 33 кандидатские диссертации, опубликовано более 500 научных работ, 12 монографий
и учебных пособий, получено 63 патента и авторских свидетельства на изобретения. В настоящее время кафедра успешно работает под руководством д-ра техн. наук, профессора, заслуженного деятеля науки РФ, советника РААСН Александра Дмитриевича Корнеева.
Основные направления научно-исследовательской работы кафедры: проблемы проектирования и создание композиционных материалов и их применение в строительстве; разработка и проектирование дорожно-строительных материалов и конструкций; разработка ресурсосберегающих технологий и материалов с использованием отходов производств; разработка эффективных тепло-и гидроизоляционных материалов для промышленного и гражданского строительства; исследование проблем создания бетонов для специального строительства; исследование проблем экономики и стратегического управления объектами жилищно-коммунального хозяйства.
С 1988 по 2013 г. кафедрой «Строительные материалы» подготовлено более 350 инженеров. Большинство выпускников кафедры работают в строительной отрасли. Среди них А.А. Савушкин — генеральный директор ЗАО «Жигулевские стройматериалы»; С.В. Сазонов — технический директор ЗАО «Липецкий силикатный завод»; М.А. Гончарова — д-р техн. наук, П.В. Борков — канд. техн. наук, доценты Липецкого государственного технического университета; В.Г. Соловьев — канд. техн. наук, доцент Московского государственного строительного университета.
Тесная связь с производством, осуществляемая через выпускников, вселяет уверенность, что кафедра и в дальнейшем будет служить подготовке высококвалифицированных кадров, укреплять и преумножать свой потенциал и традиции.
УДК 669.97
М.А. ГОНЧАРОВА, д-р техн. наук, Липецкий государственный технический университет; Е.М. ЧЕРНЫШОВ, д-р техн. наук, академик РААСН, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
Формирование систем твердения композитов на основе техногенного сырья
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.
В поле зрения ученых и инженеров оказалась лишь малая часть из техногенных отходов металлургии. В основном все разработки касаются доменных гранулированных шлаков, которые традиционно используются
в цементной промышленности и в производстве строительных материалов и изделий. За пределами рассмотрения оказались грубо-, микро- и нанодисперсные многотоннажные отходы: сталеплавильные шлаки, металлургические шламы, пыли и другие твердые технологические отходы (ТТО), являющиеся потенциально полезными для использования их в производстве строительных материалов, изделий и конструкций.
Все разновидности металлургических отходов прошли путь агрегатного, фазового и вещественного преобразования. Они отличаются химическим, минераль-
60
научно-технический и производственный журнал
май 2013
jVJ ®
ным, морфологическим составом, термодинамическим состоянием. Но все они исходя из теоретических представлений о возможностях синтеза соединений на основе кислотных и щелочных оксидов потенциально эффективны для структурообразования систем твердения и строительных композитов на их основе.
В настоящее время для повсеместного применения многокомпонентных бетонов на основе техногенных продуктов необходимо разработать принципы управления структурой и свойствами, учитывающие особенности такого сырья. Центральным вопросом при этом является механизм структурообразования и разработка технологии эффективных строительных композитов на основе отходов металлургии.
Для проектирования составов композитов общестроительного назначения (сухих строительных смесей, мелкозернистых цементных, силикатных и асфальтовых бетонов) предлагается вовлечь силикатную (неметаллическую) составляющую конвертерных шлаков и других отходов металлургии в структурообразование систем твердения. При этом предполагается возможность использования самостоятельной активности микро- и наноразмерных частиц отходов, образующих новые аморфные и кристаллические фазы «стартовых» систем твердения нулевого порядка (СТ-0) за счет их химико-минералогического потенциала (рис. 1).
Механизм твердения (гидратационный, контактно-конденсационный и др. природы) может активироваться с помощью целенаправленных высокотехнологичных приемов, в том числе механохимическими
методами с получением систем твердения первого порядка СТ-I.
В то же время активность отходов может быть использована в смесях с традиционными вяжущими веществами, воссоединение структур которых формируется за счет нормально-протяженной контактной зоны с образованием диффузных взаимопроникающих структур (системы твердения второго порядка (СТ-II)). При этом предполагается получение матриц, обладающих специальными свойствами — жаростойкостью (на основе цементных вяжущих и доменных шлаков, отсевов шамота и гидрата глинозема) и герметизирующими свойствами (за счет наполнения эпоксидных полимеров металлической составляющей конвертерных шлаков и использования их ферромагнитных свойств в магнитных композициях).
Сочленение матриц СТ-I и (или) СТ-II с зернистыми техногенными материалами образует системы структурообразования композитов общестроительного и специального назначения (СК).
На основе прогноза строительно-технологического потенциала отходов металлургии установлено, что они могут служить основой для формирования систем твердения. Анализ работ по кристаллохимии, термодинамике, идеи В.Ф. Журавлева о проявлении вяжущих свойств соединениями щелочно-земельных металлов с различными оксидами, исследования школ П.И. Боженова, Ю.М. Бутта, А.В. Волженского доказали, что техногенные отходы металлургии могут применяться для синтеза цементирующих веществ и формирования систем твердения [1].
научно-технический и производственный журнал
май 2013
61
Факторы, влияющие на свойства систем твердения
СТ-0 1-> СТ-I -
Количество воды затворения
Удельная поверхность
Способы уплотнения и формования
Длительность твердения
Термоактивация
Механохимическая, физико-химическая активация
Щелочная, сульфатная и другие виды активации
Рис. 2. Способы воздействия на системы твердения на основе отходов металлургии
Под системами твердения (СТ) понимали результат получения камневидного состояния как следствие структурообразования в смесях, подвергаемых технологическому воздействию. При этом СТ характеризуются:
— способностью к образованию безводных или частично обезвоженных соединений, которые могут взаимодействовать с водой;
— способностью к коллоидному диспергированию и созданию пересыщенных систем с последующим образованием при этом твердеющих с течением времени пластических паст;
— прочностью и стойкостью вновь созданных структур, последовательность и предпочтительность которых определяются наибольшей термодинамической вероятностью их возникновения.
С целью формирования СТ на основе отходов систематизированы основные факторы, определяющие свойства таких материалов и составлена система факторов управления и регулирования строительно-технических свойств СТ (рис. 2).
С целью экспериментального подтверждения возможности проявления вяжущих свойств крупнотоннажными отходами металлургии при взаимодействии с водой (использование гидратационного механизма струк-турообразования), были определены прочностные свойства систем отход—вода.
Установлено, что самостоятельная активность конвертерных шлаков (не превышающая 9 МПа) реализуется за счет баланса кислотных и щелочных оксидов, а также в результате взаимодействия с водой активных составляющих шлака — двухкальциевого силиката ß-модификации (ларнита) и четырехкальциевого алю-моферрита [2]. 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.
При этом выявили, что средняя прочность систем твердения из конвертерных шлаков в возрасте двух лет увеличивается в среднем на 30% по сравнению с результатами в 28-суточном возрасте твердения.
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.
Получены системы твердения разного уровня с прочностной активностью от 3 до 43 МПа, в синтезе которых используются различные приемы, от активации вяжущих свойств техногенного сырья до механического смешивания с традиционными вяжущими веществами, на основе конвертерных шлаков и других отходов металлургии, позволяющие применять их в широком спектре строительных композитов [3, 4].
В системах твердения оптимального состава, полученных путем совместного помола конвертерных шлаков до экономически обоснованной площади удельной
поверхности 300 м2/кг с суперпластификаторами и на-нодисперсными минеральными добавками, снижается межзерновая пустотность частиц вяжущего и повышается реакционная способность шлаков.
Установлена эффективность наполнения и модифицирования цементных вяжущих тонкодисперсными конвертерными шлаками и нанодисперсными пылями ферросплавного производства, заключающаяся в возможности замены цемента в составе композиционного вяжущего до 80%; обеспечении более глубокого взаимодействия компонентов с гидрооксидом кальция, выделяющимся при гидратации клинкерных минералов цемента; повышении эксплуатационных характеристик.
Ключевые слова: системы твердения строительных композитов, техногенное сырье, структура, активация, конвертерные шлаки.
Список литературы
1. Шмитько Е.И., Титова М.В. Управление структурой дисперсно-зернистых материалов с учетом дисперсности и внутренних сил // Строительные материалы. 2007. № 8. С. 72-73.
2. Гончарова МЛ. Системы твердения и строительные композиты на основе конвертерных шлаков. Воронеж: ВГАСУ, 2012. 136 с.
3. Гончарова М.Л. Использование конвертерных шлаков в производстве материалов для дорожного строительства // Строительные материалы. 2009. № 7. С. 26-28.
4. Гончарова М.Л., Бондарев Б.Л., Корнеев Л.Д. Кристаллические металлургические шлаки в дорожном строительстве // Строительные материалы. 2009. № 11. С. 23-26.
научно-технический и производственный журнал Q'j'prjyfj'ijj^jlj^js ~62 май 2013 ЬШУЩ|С'
