Delist.ru

Эффективные кладочные растворы с использованием пылевидного отхода сушки песка (17.11.2009)

Автор: Баранов Николай Павлович

- провести опытно-промышленное опробование разработанных рекомендаций.

Научная новизна.

Обоснована возможность повышения эффективности цементно-песчаных растворов путем использования органоминеральной добавки, получаемой в результате механохимической активации пылевидного отхода сушки песка совместно с суперпластификатором С-3, положительно влияющей на технологические свойства, образования скрытокристаллической структуры низкоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, обусловливающие высокие эксплуатационные свойства кладочных растворов.

Разработана органоминеральная добавка, состоящая из пылевидных отходов сушки песка и суперпластификатора С-3 и технология ее производства и применения в цементно-песчаных растворах.

Рентгеноскопия пылевидных отходов сушки песка показала, что основными компонентами являются: кварц SiO2, полевые шпаты К2О 3Al2O3 6SiO2, каолинит Al2 (Si2O5) (ОН4), аттапульгит Mg2 Al2 (ОН)2 (Н2О) 4(Si8O20) 4Н2О, хлорит (MgFe2Al)6 (SiAl)4О10 (ОН)8, иллит (гидрослюда) (К4Al2(SiAl)4О6)(ОН2)nН2О, кальцит CaCO3, в небольшом количестве доломит CaMg(CO3)2, гематит Fe2O3, содержание аморфной фазы составляет 30-40%.

Исследование химического состава показало, что кремнезем SiО2 находится в отходах в свободном и связанном состояниях. Свободный кремнезем представлен примесями кварцевого песка, а связанный входит в состав глинообразующих материалов. Глинозем Al2О3 находится в материале в связном состоянии, в составе глинообразующих минералов и слюдистых примесей. Оксиды щелочноземельных металлов CaО и MgО входят в состав карбонатов – кальцита и доломита. В небольших количествах они участвуют также в составе глинистых минералов – хлоритов и аттапульгитов.

Водопотребность цементных паст, разбавленных полученными органоминеральными добавками, находится в зависимости от удельной поверхности ОМД. Введение ОМД с удельной поверхностью 100 м2/кг значительно понижает водопотребность цементных паст. При 60%-ном содержании ОМД только за счёт изменения дисперсности ОМД от 100 м2/кг до 420 м2/кг водопотребность изменяется с 16,0% до 18,2%.

С помощью метода математического планирования эксперимента получены зависимости прочности, водопотребности и плотности цементных паст от содержания и удельной поверхности органоминеральной добавки и расхода суперпластификатора.

С помощью методов РФА и ДТА установлено, что при длительном твердении портландцемента, содержащего минеральный наполнитель в виде пылевидных отходов сушки песка, в основном образуется скрытокристаллическая структура низкоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов кальция.

Получены двухфакторные квадратичные зависимости водопотребности и прочности кладочных растворных смесей от заданной подвижности растворной смеси и расхода органоминеральной добавки.

Практическая значимость.

Разработана технология производства органоминеральной добавки, получаемой путем помола пылевидного отхода сушки песка с суперпластификатором С-3 в количестве 0,2, 0,4 и 0,6% от массы пылевидного отхода.

Разработана технология производства кладочных растворов на основе портландцемента и органоминеральной добавки, обеспечивающей прочностные показатели, подвижность, нерасслаиваемость, водоудерживающую способность, водонепроницаемость, жизнеспособность.

Разработаны составы кладочных растворов, обеспечивающих получение марок 15, 10, 7,5 и 5 со средней плотностью свыше 2100 кг/м3, с водоудерживающей способностью свыше 96.8% и жизнеспособностью около 6

Новизна исследований подтверждена патентом на изобретение №2363679./Кладочный раствор.

Внедрение результатов исследований. Результаты разработок и исследований нашли отражение в Технических условиях на кладочные растворы на основе пылевидного отхода сушки песка и рекомендациях по технологии приготовления кладочных растворов на основе портландцемента и органоминеральной добавки для возведения кирпичных и каменных кладок.

Разработанные нормативные документы были внедрены в производственных условиях на предприятии ОАО «АРСП» при производстве ОМД и кладочных растворов на ее основе.

Апробация работы. Результаты, полученные в диссертации, были доложены и обсуждены на научно-практических конференциях в Московском государственном строительном университете: «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» в 2007 и 2009 годах;

На защиту диссертации выносятся:

- положения о повышении эффективности кладочных растворов путем использования пылевидного отхода сушки песка,

- исследования по оптимизации состава органоминеральной добавки на основе пылевидного отхода сушки песка и суперпластификатора С-3;

- влияние органоминеральной добавки на основе пылевидного отхода сушки песка на структурообразование кладочных растворов;

- зависимости прочностных показателей, подвижности, нерасслаиваемости, водоудерживающей способности, водонепроницаемости, жизнеспособности кладочных растворных смесей от состава и свойств органоминеральной добавки на основе пылевидного отхода сушки песка;

- рекомендации по производству органоминеральной добавки на основе пылевидного отхода сушки песка;

- результаты опытно-промышленного опробования разработанных рекомендаций.

Объем работы. Диссертация изложена на 133 листах машинописного текста, иллюстрирована 24 рисунками и 30 таблицами. Она состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка используемой литературы и приложений.

Содержание работы.

Диссертационная работа направлена на разработку эффективных кладочных растворов с высокими эксплуатирующими свойствами путем использования отходов сушки песка. На примере Мытищинского асфальбетонного раствора мощность 300 тыс. тонн в год, ежесуточно в процессе производства продукции, в системах газоочистки образуется до 10 тонн пылевидного отхода сушки песка. Большая часть отходов, накопившихся в отвалах, является источником загрязнения окружающей среды, занимает значительные земельные участки. Однако использование вышеуказанных отходов сдерживается из за недостаточно изученной роли пылевидных и глинистых частиц в структурообразовании цементных композиций.

Установлено, что физико-химические процессы при твердении растворов происходят главным образом на поверхности раздела фаз. В связи с этим, роль пылевидных и глинистых частиц в структурообразовании цементных кладочных растворов оказывают решающее влияние, так как они имеют наиболее развитую удельную поверхность. Прочность, деформативность, а также многие физико-механические свойства раствора в значительной степени зависят от преобладающих структурных связей. Склонность пылевидных и глинистых частиц, содержащихся в пылевидном отходе сушки песка, к агрегированию снижает фактическую удельную поверхность материала. В результате частицы, находящиеся внутри флокул, остаются не задействованными в адсорбционных процессах и ионном обмене. Для того чтобы вскрыть поверхность глинистых частиц, необходимо разрушить образовавшиеся микрогранулы и создать условия, препятствующие их дальнейшему образованию. С ростом дисперсности, а, следовательно, удельной поверхности в глинах пропорционально увеличивается адсорбционная и обменная способности.

Поверхность частицы глинообразующего минерала имеет отрицательные заряды, которые создают вокруг него силовое поле, под действием которого ориентируются молекулы воды. Зерна глинообразующего минерала окружены несколькими концентрическими слоями воды, каждый из которых удерживается частицей с различной силой, убывающей от центра к периферии. Толщина диффузного слоя у разных минералов различна. При увеличении концентрации электролитов в жидкости диффузионный слой как бы сжимается, а при уменьшении – расширяется. Чем выше валентность, тем сильнее электростатическое притяжение между ионами диффузного слоя и поверхностью зерна и тем меньше его толщина, поэтому наиболее обширный диффузный слой образуют одновалентные ионы, например, Na, К, Li. Двухвалентные ионы, например, Са, Mg образуют более тонкий и плотный диффузный слой, а трехвалентные — Fe, A1, образуют еще более тонкий и плотный диффузионный слой воды. Тонкие, в десятые доли микрона, слои воды оказывают на соседние частицы глины расклинивающее давление, уравновешивающее гидростатическое давление водных пленок на поверхности, граничащие с газообразной средой. Расклинивающее давление способствует пептизации и препятствует коагуляции.

Во взаимодействии поверхности частиц глины с водой большую роль играет водородная связь. Механизм этой связи основан на том, что ион Н+, давший электрон, представляет собой ядро без электронов, в тысячи раз меньше, чем атомы. Ион Н+ поэтому не отталкивается электронными оболочками, а внедряется в них. Однако энергия химической связи в 4-20 раз больше энергии водородной связи. Водородная связь осуществляется в глинах водородом воды с ионами О на кремнекислородных поверхностях решетки минерала. При этом вникают плоские гексагональные сетки из молекул воды, взаимно удерживаемых также водородными связями.

При гидратации глинисто-коллоидных частиц происходит их набухание и ослабление внутримицеллярных связей. Существенное влияние на эффективность при твердении глиносодержащих веществ оказывает кислотность среды (рН).

При переходе от кислой к щелочной среде резко изменяются структура и прочность глинистых систем. Данное явление связано с тем, что боковые сколы глинистых минералов, в зависимости от рН, могут изменять плотность и знак поверхностных зарядов. Это выясняется образованием на боковых сколах глинистых частиц соединений алюминия, которые при переменных значениях рН ведут себя как типично амфотерные вещества, диссоциируя по щелочному типу рН <7 и по кислому типу при рН > 7. В результате на боковых сколах, в кислой среде, возникает поверхностный заряд положительного знака, в щелочной отрицательного.

Свойства глинистых частиц резко меняются при введении пептизирующих добавок в виде электролитов. Электролиты выполняют две основные функции: интенсифицируют распад слипшихся глинистых агрегатов на элементарные зерна и обеспечивают получение раствора.

Наиболее типичными катионами сорбированного комплекса в глинах являются Са2+, которые связывают отдельные глинистые зерна в агрегированные (слипшиеся) глинистые частицы. При вводе в глинистую суспензию электролита, например NaSiO3 (жидкое стекло), происходит диссоциация его молекулы на Na+ и (SiO3) 2- . Энергия адсорбции Na+ меньше, чем Са2+, поэтому катион Na+, оказавшись в суспензии, начинает вытеснять из сорбированного комплекса катионы Са2+, замещая их. При этом в основном замещаются катионы диффузного слоя (как менее прочно связные) и в незначительной мере катионы Са2+ поверхностного слоя. При замещении 2-х валентного катиона Са2+ одновалентным Na+ в глинистом зерне возникает избыточный отрицательный заряд. Если такое замещение произошло в 2-х слипшихся глинистых частицах, то в них появляются одноименные некомпенсированные заряды, которые обусловят отталкивание зерен друг от друга. В силу этого, глинистая частица начнет диспергироваться, разъединяться на отдельные элементарные зерна. Таким образом, интенсификация процесса диспергирования глины является первым результатом воздействия на нее пептизирующих электролитов.

Пептизации суспензии способствует еще один фактор: с увеличением концентрации электролита в соответствии с законом действующих масс диссоциированные катионы Na как бы начинают теснить катионы диффузного слоя. По мере приближения катиона диффузного слоя к поверхности заряженной глинистой частицы часть его заряда нейтрализуется, способность катиона удерживать вокруг себя гидратную оболочку понижается и последняя становится тоньше с переходом части воды из связанного состояния в свободное.

В системе глиносодержащий компонент - цемент-вода активно происходят обменно-поглотительные реакции. При гидратации глинисто-коллоидных частиц происходит их набухание и ослабление внутримицеллярных связей. Благодаря этому часть ионов, находящихся в мицеллах, становится в значительной мере свободной и при соответствующем воздействии внешней среды получает возможность отрываться от гранулы и мигрировать в раствор. Продукты растворения поверхностного слоя глинистых частиц вступают в реакцию с гидроксидом кальция и образуют нерастворимые в воде гидросиликаты и гидроалюминаты кальция.

Считается, что глины не обладают свойствами активных минеральных добавок до тех пор, пока кристаллическая структура алюмосиликатных минералов в глине не превратится в аморфную или неупорядоченную структуру путем специальной обработки. Известно, что активность глинистых минералов возможно увеличить не только в результате термической обработки, но и путем помола. Уменьшение величины зерна глинистых частиц приводит к быстрому повышению способности к обмену основаниями. Например, помол бентонита способствует более сильной агрегации или полимеризации в воде, а, следовательно, и еще большей тиксотропии, чем та, которая свойственна ему обычно. Способность к ионному обмену при этом, становится меньше, что позволяет сделать заключение о разложении бентонита. Взаимодействие со щелочами и кислотами увеличивается, в то время как набухание в воде уменьшается. Помол также изменяет химические и физические свойства гидрослюд, увеличивая их ионнообмен и реакционную способность.

В составе пылевидных отходов сушки песка также присутствуют полевые шпаты и карбонатные породы кальцит, доломит. Полевые шпаты способны взаимодействовать с гидроксидом кальция при температуре ниже 100С. При растворении поверхность зерен полевого шпата подвергается коррозии. Образовавшийся кремнезем способен к взаимодействию с гидроксидом кальция. Взаимодействие проявляется во взаимном замещении атомов калия и натрия атомами кальция и алюминия гидратированных клинкерных минералов. В результате образуются гидросиликаты, гидрогранаты и выделяются щелочи.

Известна способность минералов кварца, калиевых полевых шпатов, каолинита и др., в зависимости от кристаллохимических свойств, образовывать при измельчении аморфные продукты на своей поверхности.

загрузка...