CC BY
37[email protected] Лесовик Р.В. канд. техн. наук, доц.,
Алфимова Н.И. канд. техн. наук, ст. преп., Яковлев Е.А., канд. техн. наук, ст.преп., ШейченкоМ.С. аспир.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
К ПРОБЛЕМЕ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЯЖУЩИХ
Рассмотрены пути интенсификация вяжущих веществ за счет производства композиционных вяжущих широкой номенклатуры, а так же нанодисперсных модификаторов, позволяющих существенно повысить активность вяжущего путем управления процессами синтеза новообразований.
В современных условиях производится широкая номенклатура бетонных и железобетонных изделий, стеновых и отделочных материалов на основе цемента.
Понятно, что для многоэтажного строительства и строительства уникальных объектов с одной стороны и коттеджей с другой требуются вяжущие различных составов и свойств. А цементная отрасль выпускает довольно ограниченную номенклатуру гидравлических вяжущих.
В настоящее время в мире производится около 3 миллиардов тонн вяжущих веществ, основная доля которых приходится на портландцемент. При этом на его производство тратится около 400 млн. тонн условного топлива, а выбросы в окружающую среду С02 и пыли составляют около 2,5 млрд. т (табл. 1)[1].
Представляется, что дальнейшая интенсификация строительной отрасли должна осуществляться за счет производства композиционных вяжущих (КВ) широкой номенклатуры, в которых доля клинкерной составляющей может быть снижена в десятки раз.
В Европе и США получило развитие производство высоконаполненных цементов, где в качестве кремнеземистого компонента применяют шлаки, золы, метакао-линит и др. с одномадальным распределением частиц
по размеру. Удельная поверхность производимых вяжущих 300-350 м2/кг. При синтезе цементного камня с применением подобного вяжущего образуются на ряду с гидросиликатами кальция, портландит и другие новообразования. Пористость системы достигается 8-15%. Эксплуатационные характеристики таких изделий определяются не возможностями компонентов, а дефектами композита. Повышение качества бетонов и переход на выпуск неокомпозитов связано с применением композиционных вяжущих (рис. 1).
В предложенных несколько десятилетий назад тонкомолотых цементах (ТМЦ) а затем и вяжущих низкой во-допотребности (ВНВ) с удельной поверхностью порядка 550 м2/кг в качестве кремнеземсодержащего компонента использовался природный песок с содержанием кварца 90-95% и выше. Однако в настоящее время месторождения высококачественных кварцевых песков во многих регионах России и за рубежом истощены или вообще отсутствуют.
Нами разработана концепция получения высококачественных бетонов и неокомпозитов заключающаяся в использовании сырьевых материалов с высокоплотной упаковкой заполнителя и композиционных вяжущих.
Таблица 1
№ Вид вяжущего Объём производства в мире. млн. т Энергоемкость кг. у.т. Экология
СО2 пыль
пр-во 1 т.кг у.т. всего млн.т у.т. кг/ т всего млн. т кг/ т всего, млн т
1 Портландцемент 2540 150 381 850 2159 21 53,34
2 Известь 286 204 58,34 528 151 5 1,43
3 Гипс 112 47 5,264
Итого: 2938 444,6 2310 54,77
Показателей производства вяжущих веществ
Рис. 1. Объективные предпосылки перехода на композиционные вяжущие
Установлено, что в качестве сырья для получения композиционных вяжущих необходимо использовать определенные горные породы [2]. Из пород магматического происхождения - эффузивные стекловатной структуры; метаморфических - кварцсодержащие породы зелен ос-ланцевой степени метаморфизма; осадочных - силици-ты из зоны диагенеза и раннего катагенеза.
Разработана оценка качества кремнеземистого компонента как компонента композиционного вяжущего, позволяющая ранжировать все горные породы по эффективности использования в качестве сырья для производства композиционных вяжущих [3].
Предложена широкая номенклатура композиционных вяжущих с использованием как природного, так и техногенного сырья, а так же суперпластификаторов и гиперпластификаторов различных фирм (табл. 2.).
Применение композиционных вяжущих приводит к изменению как микроструктуры так состава новообразований. При этом уменьшается не только капиллярная пористость, но и размер новообразований, состав гидросиликатов кальция, уменьшается количество микротрещин при твердении системы.
Переход к композиционным вяжущим это большой шаг вперед по отношению к цементу, но будущее строительных материалов связано с управлением процессами синтеза новообразований с помощью нанодисперс-ных модификаторов (НДМ).
В обычных макротелах, с которыми мы все привыкли иметь дело в обыденной жизни, площадь поверхности тела невелика, по сравнению с его объе-
мом. Все свойства объекта определяются физическими свойствами объемного образца. При диаметре порядка 10 - 15 ангстрем практически вся частица представляет собой поверхность, и свойства ее будут совершенно уникальными. При диспергировании резко возрастает активность вещества в твердом состоянии и скорость физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Скорость такого взаимодействия всегда пропорциональна величине поверхности. Чем тоньше структура вещества, тем быстрее оно растворяется или тем быстрее протекают твердофа-зовые реакции.
Получать наноструктурные вещества можно двумя путями - либо тщательным измельчением имеющихся объемных образцов, либо получением новой дисперсной фазы путем объединения молекул или ионов в кластеры, микрокристаллиты или капли нанометрового размера за счет действия молекулярных сил.
НДМ получали путем мокрого помола кварцсо-держащих горных пород. При этом было установлено, что в НДМ на основе кварцсодержащих пород зе-леносланцевой степени метаморфизма наночастиц содержится в 15 раз больше чем в НДМ полученном на основе природного кварцевого песка, что объясняется типоморфными особенностями породы, дефектностью кристаллических решеток породообразующих минералов, наличием газовоздушных включений, флюидов и минералообразующей средой, т.е. данные породы являются генетически активированным сырьем (рис. 2).
Таблица 2
Свойства композиционных вяжущих
№ Вид вяжущего Вид техногенного песка Количество Предел прочности, МПа
п/п клинкерного компонента, % при сжатии при изгибе
1 ЦЕМ I 42,5 Н 49,0 4,8
2 ТМЦ песок Нижнее-Ольшанского месторождения 50 37,7 3,8
3 ВНВ песок Нижнее-Ольшанского месторождения 50 54,2 5,9
4 ТМЦ Отходы мокрой магнитной сепарации (ММС) 30 20,9 2,5
5 ТМЦ ММС 50 40,6 3,4
6 ТМЦ ММС 70 63,8 7,6
7 ВНВ ММС 30 38,1 4,1
8 ВНВ ММС 50 58,3 5,6
9 ВНВ ММС 70 71,9 7,7
10 ВНВ Вулкано-песчано гравийные смеси (ВПГС) 30 15,3 2,6
11 ВНВ ВПГС 50 34,7 3,7
12 ВНВ ВПГС 70 51,3 5,9
13 ВНВ песок Стодиревского месторождения 50 46,5 5,2
14 ВНВ песок Стодиревского месторождения 70 62,3 6,1
15 ВНВ Кварцитопесчанник 50 61,5 6
16 ВНВ Отходы алмазообогащения 50 22,4 2,7
Введение полученного НДМ в цементную систему позволило повысить активность вяжущего на 35%. При экономии клинкерной составляющей до 50% что объясняется улучшением структуры цементного кам-
ня, а так же изменением характера и качества новообразований [4].
Производство НДМ на традиционно используемом оборудовании сопровождается большими зат-
е
03
ег
к
ц
о
«
£ и о о
<и рр
6
0
0,1
1 10 Раз мер ч астиц, мкм
100
НДМ на основе кварцевого песка
Рис. 2. Гранулометрический состав НДМ на основе кварцсодержащего сырья
НДМ на основе кварцицопесчаника
ГО 1=
CD
ГО *
О
го
X
о о
X
т
о
CL 1=
90
80
70
60
50
цеметный камень
цементный камень + 45%НДМ на основе кварцевого песка цементный камень +30%НДМ на основе кварцитопесчаника
Рис. 3. Изменение активности вяжущего в зависимости от кварцсодержащего сырья НДМ
ратами энергии. Для снижения энергоемкости производства НДМ разработаны принципы проектирования машин и механизмов с учетом генезиса и составов породообразующих минералов и горных пород в целом [5]. Реализация данной концепции позволила разработать технологию производства нано-дисперсных материалов.
Технология включает стадии предразрушения горных пород, с обеспечением их микродефектной структуры, стадии избирательного измельчения минералов, стадии диспергирования в вихреакустичес-ком поле и, наконец, мокрый домол с целью получения наночастиц.
Данный инновационно-технологический комплекс реализован в виде действующих энергосберегающих агрегатов и машин. Новизна технических решений защищена 12 патентами Российской Федерации на изобретение.
На основе разработанных вяжущих предложена широкая номенклатура бетонных и железобетонных изделий.
Таким образом, представляется возможным производство широкой номенклатуры производства гидравлических вяжущих веществ без увеличения производства клинкерной составляющей с использованием в качестве кремнеземсодержащих компонентов техногенного и природного сырья определенного состава и генезиса.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лесовик, В.С. Проблемы расширения номенклатуры вяжущих веществ // В.С. Лесовик, Н.И. Алфимова, Р.В. Лесовик / Международный конгресс производителей цемента: Сб. докл. - Белгород.- 2008. - С. 30-34
2. Лесовик, В.С. Повышение эффективности производства
строительных материалов с учетом генезиса горных пород: Научное издание / В.С. Лесовик. - М.: Издательство АСВ, 2009. - 526 с.
3. Лесовик, Р.В. К проблеме использования техногенных песков для производства мелкозернистых бетонов и изделий на их основе / Р.В. Лесовик // Строительные материалы. -2007. - № 9. - Приложение «Наука». - № 10. - С. 13 - 15
4. Алфимова, Н.И. Повышение эффективности стеновых камней цементных с учетом использования композиционных вяжущих и отходов алмазообогащения: : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05. 23. 05 : защищена 21. 12. 07 : утв. 14. 04. 08 / Алфимова Наталия Ивановна; БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород , 2007. - 19 с.
5. Технологические комплексы и агрегаты для производства композиционных материалов и изделий // А.М. Гридчин, В.С. Севостьянов, В.С. Лесовик и др./ Строительные материалы. - М., 2005. - № 11. - С. 6-9.
*Данная работа выполнялась при финансовой поддержке в форме гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых МД-2906.2007.8 «Методологические принципы проектирования композиционных вяжущих при спользовании нанодисперных модификаторов с учетом типоморфизма сырья».
