Повышение эффективности стеновых изделий путем использования модифицированного фосфогипса-дигидрата (стр. 1 )

На правах рукописи

ТАРАСОВ Александр Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТЕНОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОГО ФОСФОГИПСА-ДИГИДРАТА

05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете.

Научные руководители - доктор технических наук, профессор

- кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

- кандидат технических наук

Ведущая организация Государственное унитарное предприятие

«Научно-исследовательский институт

московского строительства»

Защита состоится «___» _________________2010 года в __ часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.02 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: Москва, Ярославское шоссе, дом 26, в аудитории №___.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «___»_____________2010 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из перспективных направлений повышения эффективности стеновых изделий является использование многотоннажных техногенных отходов. В ряде регионов страны имеются значительные запасы отхода химической промышленности - фосфогипса-дигидрата, количество которого постоянно увеличивается, но доля его применения в строительстве незначительна.

Широкое применение фосфогипса-дигидрата в технологии стеновых изделий сдерживается наличием примесей в его составе, неоднородностью состава и высокой влажностью. Процесс нейтрализации примесей трудоемок, энергоемок, усложняет технологию и снижает экономическую целесообразность применения отходов. Проблема применения фосфогипса-дигидрата из отвалов без предварительной очистки на сегодняшний день не решена.

Решение проблемы получения эффективных стеновых изделий с использованием фосфогипса-дигидрата возможно за счет его модифицирования комплексом минеральных добавок, позволяющим нейтрализовать примеси и активизировать дигидрат сульфата кальция в процессе изготовления стеновых материалов.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с проектом «Разработка и оптимизация энерго-ресурсосберегающих технологий производства и применения эффективных строительных материалов, изделий и конструкций» Министерства образования и науки РФ НИР МГСУ.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы – получение эффективных стеновых изделий на основе фосфогипса-дигидрата.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Обоснование возможности повышения эффективности стеновых изделий путем использования фосфогипса-дигидрата.

2. Разработка и оптимизация составов комплекса минеральных добавок для модифицирования фосфогипса-дигидрата;

3. Разработка и оптимизация составов фосфогипсового композита;

4. Исследование структуры и свойств фосфогипсового композита;

5. Разработка технологии изготовления стеновых изделий на основе фосфогипсового композита;

6. Разработка технологического регламента на производство стеновых камней из фосфогипсового композита.

7. Производственное опробование полученных результатов;

Научная новизна. Обоснована возможность повышения эффективности стеновых изделий путем механохимической активации во влажном состоянии сырьевой смеси из фосфогипса-дигидрата, извести, цемента, модификатора МБ-10-50-С, способствующей дезагрегации фосфогипса, нейтрализации примесей, повышению гомогенизации смеси, образованию гидроалюминатов, гидросульфоалюминатов и гидросиликатов кальция и формированию структуры фосфогипсового композита повышенной плотности, прочности и водостойкости.

Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден состав комплекса минеральных добавок, состоящий из извести, кремнеземистого компонента и цемента.

Методом математического планирования эксперимента установлены зависимости прочности и коэффициента размягчения фосфогипсового композита от содержания извести и модификатора МБ-10-50-С, необходимые для оптимизации состава комплекса минеральных добавок.

Оптимизированы составы фосфогипсового композита.

Установлены зависимости удобоукладываемости, плотности, прочности на сжатие, коэффициента размягчения, морозостойкости, воздухостойкости от количества и состава комплекса минеральных добавок, вида кремнеземистого компонента, В/Т отношения смеси, режимов механохимической активации и тепловой обработки.

Исследованы усадка и набухание, водопоглощение, прочность на сжатие фосфогипсового композита при длительном хранении в различных условиях.

Установлено, что поровая структура фосфогипсового композита, характеризуется повышенным содержанием мелких пор, способствующих увеличению эксплуатационной надежности стеновых изделий.

Методами РФА, ДТА, РЭМ и оптическим методом установлен состав основных новообразований, представленный гидросиликатами, гидроалюминатами и гидросульфоалюминатами кальция, его изменение в процессе твердения и влияние на свойства композита. В результате реакций гидратации полости между кристаллами дигидрата сульфата кальция заполняются новообразованиями, а также ультрадисперсными кремнеземистыми частицами, что способствует увеличению количества контактов между кристаллами и повышению плотности, прочности и водостойкости фосфогипсового композита.

Практическая значимость работы. Разработаны составы сырьевой смеси, обеспечивающие повышенную прочность и водостойкость изделий на основе модифицированного фосфогипса-дигидрата и позволяющие получать с 30÷40% комплекса минеральных добавок, содержащего 10÷20% извести, 10% модификатора МБ-10-50-С, 10÷20% портландцемента, при низкотемпературной тепловой обработке, стеновые камни марок по прочности М50÷М125, с коэффициентом размягчения более 0,65.

Разработана технология получения строительных изделий на основе модифицированного фосфогипса-дигидрата, включающая механохимическую активацию сырьевой смеси, виброформование стеновых камней, низкотемпературную тепловую обработку сушкой при 600С или естественное твердение.

Внедрение результатов исследований. Проведена промышленная апробация разработанных предложений по получению стеновых камней из фосфогипса-дигидрата, модифицированного комплексом минеральных добавок. Опытно-производственное опробование проведено на производственной базе фирмы . Выпущена опытная партия стеновых камней размером 390x190x188 мм средней плотности 1300÷1340 кг/м3, маркой по прочности М75 в объеме 48 м3.

Разработан технологический регламент на производство стеновых камней из фосфогипсового композита.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-практических конференциях в Московском государственном строительном университете: «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» в 2000, 2001, 2002, 2003 годах; в Пензенской государственной архитектурно-строительной академии на Всероссийской ХХХ научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» в 2001 году; в Белгородском государственном технологическом университете им. на Международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» в 2003 году; на II Всероссийском семинаре с международным участием «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий» в Уфе 2-4 июня 2004 года; на 2-ой Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону в Москве 5-9 сентября 2005 года; на III Всероссийском семинаре с международным участием «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий» в Туле 28-30 сентября 2006 г, на IV Всероссийском семинаре с международным участием «Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий» в Волгограде 24-26 сентября 2008 г.

Основное содержание работы опубликовано в девяти статьях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка, включающего 142 наименований, и приложений. Общий объем работы 150 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 29 таблиц.

На защиту диссертации выносятся:

- обоснование возможности повышения эффективности стеновых изделий путем использования модифицированного фосфогипса-дигидрата;

- зависимости основных свойств фосфогипсового композита от его компонентного состава и технологических параметров;

- особенности формирования структуры фосфогипсового композита;

- технология получения стеновых изделий на основе фосфогипсового композита;

- результаты производственного опробования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Перспектива повышения эффективности стеновых материалов возможна за счет использования техногенных отходов в технологии их производства.

В ряде регионов запасы отхода химической промышленности фосфогипса-дигидрата (ФГД) в отвалах превышают 300 млн. т. и ежегодно увеличиваются более чем на 10 млн. т., но доля их использования составляет не более 1,0%. Для их хранения отводятся тысячи гектаров, наносится вред окружающей природной среде, увеличиваются капитальные и текущие эксплуатационные затраты химических предприятий.

По содержанию CaSO4*2H2O (ГОСТ 4013-82) фосфогипс-дигидрат относится к гипсовому сырью I, II сорта и может являться альтернативой природному гипсу в промышленности строительных материалов.

Широкое использование отхода сдерживает наличие в нем оксида фосфора (Р2О5) и соединений фтора (F), а также загрязненность соединениями редкоземельных металлов (232Th, 226Ra, 40K), кислотами (H2SO4, H3PO4, HF, H2SiF6) и их солями. Дополнительные трудности при переработке создает влажность отхода 20÷40%.

Анализ опыта применения фосфогипса-дигидрата показал, что перевод его в полуводные модификации связан с необходимостью применения химических добавок, нейтрализации, отмывки и сопровождается значительными затратами материальных, трудовых и энергетических ресурсов, длительностью переработки, усложнением технологии.

Перспективным направлением является изготовление стеновых изделий для малоэтажного строительства на основе ФГД в сочетании с веществами, вступающими в химическое взаимодействие с образованием водостойких и твердеющих в воде продуктов, как в результате химической реакции с самим дигидратом сульфата кальция, так и вследствие собственных процессов гидратации. Такими веществами являются цементы, кремнеземистый компонент в оптимальном соотношении с известью. Но получаемые низкие показатели прочности, водостойкости и морозостойкости изделий сдерживают их широкое применение в строительстве.

Проведенные в настоящей работе исследования были направлены на улучшение физико-механических свойств стеновых изделий на основе ФГД, изучение возможности его вступления в химическое взаимодействие с вводимыми активными компонентами с образованием кристаллогидратов, участвующих в формировании структуры материала.

Для решения этих задач разработана рабочая гипотеза, согласно которой повышение эффективности стеновых изделий и вовлечение фосфогипса-дигидрата в химические реакции образования эттрингита основано на его модифицировании комплексом минеральных добавок, содержащим цемент, известь, высокоактивный кремнеземистый компонент. Применение совместной механохимической активации компонентов способствует дезагрегации и активизации ФГД, гомогенизации смеси, нейтрализации примесей и более полному взаимодействию компонентов между собой с образованием гидроалюминатов, гидросульфоалюминатов и гидросиликатов кальция.

В исследованиях использованы следующие материалы.

Фосфогипс-дигидрат Минеральные Удобрения» из отвалов, химический состав которого представлен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав Воскресенского фосфогипса

Содержание, %
CaO	MgO	Al2O3	Fe2O3	K2O	Na2O	SiO2	SO3	F2	P2O5	H2O гидр.	CaSO4*2Н2О
35,9	0,16	0,2	0,2	0,02	0,21	0,25	44,3	0,2	0,6	18,2	93,2

ФГД с удельной поверхность 1800 см2/г, влажностью 18÷26% в комкообразном виде.

Негашеная известь молотая быстрогасящаяся I сорта Люберецкого КСМиК, соответствующая требованиям ГОСТ 9179-77 «Известь строительная. Технические условия». Активность извести 92 %.

Портландцементы по ГОСТ «Цемент. Общие технические условия» Воскресенский ПЦ400 Д5, Михайловский ПЦ500 Д0 или по ГОСТ «Цементы общестроительные. Технические условия» ЦЕМ I 32,5Н и ЦЕМ I 42,5Н соответственно.

Глиноземистый и высокоглиноземистые цементы КГЦ-65, ВГКЦ-70, ВГКЦ-75 по ГОСТ 969-91 «Цементы глиноземистые и высокоглиноземистые».

Кремнеземистые компоненты: модификатор бетона МБ-10-50-С с удельной поверхностью 1200÷1600 м2/кг (ТУ ); конденсированный микрокремнезем МКУ-85 с удельной поверхностью 2000÷2500 м2/кг (ТУ ); кремнегель - отход от производства фтористо-водородной кислоты с удельной поверхностью 1800÷2200 м2/кг; кек - отход силикатной промышленности с удельной поверхностью 900÷1100 м2/кг; гидравлическая природная минеральная добавка – трепел с удельной поверхностью 300÷400 м2/кг.

Разработка комплекса минеральных добавок, позволяющего получить структуру композита повышенной плотности, прочности, водостойкости и задействовать фосфогипс-дигидрат в реакциях образования гидросульфоалюминатов кальция проводилась с компонентами различной дисперсности. Удельная поверхность цемента и извести выше, чем у ФГД, а у кремнеземистого компонента – выше, чем у цемента и извести. При таком сочетании продукты гидратации цемента, извести и частицы кремнезема располагаются в межкристаллических полостях ФГД.

В КМД каждый компонент выполняет определенную задачу: известь обеспечивает нейтрализацию примесей и высокую щелочность среды для кристаллизации гидросиликатов, гидроалюминатов и гидросульфоалюминатов кальция; активный кремнезем, образуя с СаО гидросиликаты, является регулятором щелочности среды и стабилизатором процессов образования гидросульфоалюминатов; портландцемент совместно с известью и кремнеземом обеспечивают гидравлическое твердение композита и являются основными носителями его прочности.

Применение глиноземистого цемента взамен портландского ускоряет процессы твердения фосфогипсового композита, увеличивает его прочность, что обусловлено быстрой гидратацией его минералов и интенсивным вступлением новообразований в химическое взаимодействие с дигидратом сульфата кальция с образованием эттрингита на раннем этапе твердения.

Для установления рациональности применения цементов исследованы прочностные показатели композита состава 60% ФГД и 40% КМД, содержащего 15% извести, 10% МБ-10-50-С, 15% цемента в пересчете на массу всех компонентов, с применением низкотемпературной тепловой обработки сушкой при 600 по режиму 2+9+2ч (табл. 2).

Таблица 2

Влияние вида цемента на прочность композита

№ п/п	Вид цемента	Прочность на сжатие МПа в возрасте, сут.
3	28
1	Воскресенский ПЦ400 Д5	7,8	10,7
2	Михайловский ПЦ500 Д0	10,2	13,6
3	КГЦ-65	12,7	19,4
4	ВГКЦ-70	9,6	16,1
5	ВГКЦ-75	10,1	17,2

Среди глиноземистых цементов наибольшие показатели прочности у состава с КГЦ-65 объясняется большим содержанием основного минерала СА, определяющего комплекс физико-механических свойств. Применение высокомарочного цемента более эффективно, но при этом сохраняется возможность использования низкомарочного цемента для получения фосфогипсового композита с высокими значениями прочности на сжатие. В дальнейших исследованиях в составе КМД использованы михайловский портландцемент и глиноземистый КГЦ-65.