close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Жаростойкие базальтовые бетоны на композиционном вяжущем

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Курбанов Рамазан Магомедович
ЖАРОСТОЙКИЕ БАЗАЛЬТОВЫЕ БЕТОНЫ НА АКТИВИРОВАННОМ
КОМПОЗИЦИОННОМ ВЯЖУЩЕМ
Специальность 05.23.05 – Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискания ученой степени
кандидата технических наук
Махачкала – 2017
1
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего образования
«Дагестанский государственный технический университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Хаджишалапов Гаджимагомед
Нурмагомедович
Официальные оппоненты:
Хлыстов Алексей Иванович,
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВО «Самарский государственный
технический университет», профессор
кафедры «Производство строительных
материалов, изделий и конструкций»
Саламанова Мадина Шахидовна,
кандидат технических наук, доцент,
ФГБОУ ВО «Грозненский государственный
нефтяной технический университет имени
академика М.Д. Миллионщикова»,
доцент кафедры «Технология строительного
производства»
Ведущая организация:
АО «Научно-исследовательский центр
«Строительство»
Защита состоится 31 марта 2018 г. в 1400 часов на заседании
диссертационного совета Д212.052.03 при ФГБОУ ВО «Дагестанский
государственный технический университет» по адресу: 367026, г.Махачкала,
пр.И.Шамиля, 74, диссертационный зал административного корпуса, каб.201.
C диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ
ВО
«Дагестанский
государственный
технический
университет»
http://www.dstu.ru/. Сведения о защите и автореферат диссертации размещены
на официальном сайте ВАК Министерства образования и науки РФ
http://vak.ed.gov.ru/.
Рассылка автореферата состоится «20» февраля 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук
Х.Р. Зайнулабидова
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Одним из важнейших
направлений экономического и социального развития Российской Федерации
является модернизация в строительстве и строительной индустрии за счет
разработки новых и совершенствования известных технологий изготовления
строительных материалов, изделий и конструкций. Для разработки новых
строительных материалов целесообразно использовать местное минеральное
сырье.
Исследование и разработка новых строительных материалов входят в
программу стратегии социально-экономического развития Республики
Дагестан до 2020г., в рамках которой принята программа «Создание
благоприятных условий для привлечения инвестиций в экономику РД на
2012-2020г.». На республиканском уровне приняты масштабные
инвестиционные программы: Строительство завода по выпуску листового
стекла флоат-методом, производственной мощностью 600 тонн в сутки,
Строительство завода строительных материалов, проект создания
индустриально-строительного комплекса «Каспийск», проект «Строительство
завода по производству гипса и гипсосодержащих строительных материалов»
и инвестиционный проект «Завод по производству керамических плиток по
итальянской технологии». На всех предприятиях строительной индустрии
эффективно использование строительных материалов на местном сырье, а
именно материалов для повышенных и высоких температур, в том числе
жаростойких бетонов. В 2008 году Постановлением Правительства
Республики Дагестан было принято решение о создании технологического
парка по базальтовым технологиям. В создании парка Дагестанский
государственный технический университет (ДГТУ) принимает активное
участие. Одним из направлений исследования в рамках технологического
парка является разработка новых эффективных жаростойких базальтовых
бетонов на основе местного минерального сырья, которое является
актуальней задачей для региона. Отличительная особенностью жаростойких
бетонов является возможность футеровки тепловых агрегатов различных
конструктивных решений. При изготовлении жаростойких бетонов
используют не только дорогостоящие огнеупорные материалы, но и обычные
доступные дешевые заполнители такие как – керамзит, перлит, вермикулит, а
также вторичные материалы – шлаки, огнеупоры, бой керамического кирпича
и другие. Использованные для получения жаростойких бетонов местного
минерального сырья базальтового гравия Дагестанского месторождения и боя
керамического кирпича позволяет получить жаростойкие бетоны и изделия из
него с низкими трудовыми затратами и стоимостью по сравнению с
дорогостоящими привозными фасонными огнеупорными изделиями.
Степень разработанности темы. Ранее проведенные исследования
ученых В.М. Москвина, В.И. Мурашева, Ю.П. Горлова,К.Д. Некрасова, А.Ф.
Милованова, В.В. Жукова, А.Н. Абызова, А.П. Меркина, В.Н. Сокова, В.И.
3
Шевченко, Б.Д. Тотурбиева, В.В. Ремнева, В.Ю. Бурова, В.В. Сокова, А.И.
Хлыстова, Н.П. Ждановой, М.Г. Масленниковой, А.П. Тарасовой, Т.А.
Хежева, Г.Н. Хаджишалапова и др. позволили получить жаростойкие бетоны
для футеровки различных тепловых агрегатов промышленности строительной
индустрии, металлургической, нефтехимической промышленности, а также
предприятий электроэнергетики. Обширные исследования проведены в
области жаростойких бетонов на основе диорита, андезита и базальта для их
применения в температурном диапазоне от 300оС до 700оС. Вопросы
получения жаростойких бетонов из местного минерального сырья, а именно
Северо-Кавказского региона, с применением в качестве мелкого и крупного
заполнителя базальта Дагестанского месторождения и вяжущего с
минеральной добавкой из отходов боя керамического кирпича с их
активацией для улучшения эксплуатационных свойств в настоящее время не
имеют достаточного научного обоснования.
Цели и задачи исследования.
Цель исследования – выявление основных закономерностей
формирования структуры и свойств жаростойкого базальтового бетона на
основе
комплексного
композиционного
вяжущего,
полученного
механической и механохимической активацией портландцемента и местных
минеральных добавок природного и техногенного происхождения.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
– обоснована целесообразность применения местных материалов в
качестве крупного и мелкого заполнителя жаростойких бетонов;
– исследованы свойства композиционного вяжущего, полученного
механохимической активацией портландцемента и боя керамического
кирпича;
– обоснованы технологические основы получения жаростойких бетонов
на основе местного крупного и мелкого базальтового заполнителя и
композиционного вяжущего;
–
исследованы
физико-механические,
физико-химические,
теплофизические и термомеханические свойства жаростойких бетонов на
базальтовом заполнителе и активированном композиционном вяжущем;
–выявлено влияние основных технологических параметров на основные
свойства жаростойких бетонов;
– разработана технологическая схема производства жаростойкого
базальтового бетона с использованием местного заполнителя и
активированного портландцемента с тонкомолотым кирпичным боем;
–осуществлен выпуск опытной партии жаростойкого бетона,
разработан технологической регламент производства жаростойких бетонов с
базальтовым заполнителем;
– выполнено технико-экономическое обоснование целесообразности
применения местного минерального сырья и отходов производства
керамического кирпича для выпуска блоков из жаростойкого бетона с
температурой применения до 700оС.
4
Объект исследования:
– дисперсные системы, содержащие портландцемент с активированной
минеральной добавкой, крупный и мелкий базальтовый заполнитель,
технология жаростойких бетонов.
Предмет исследования:
– закономерности формирования микроструктуры жаростойкого бетона
и процесс структурообразования цементного камня из механически и
механохимически
активированного
в
планетарной
мельнице
портландцемента с тонкомолотым кирпичным боем в зависимости от
температуры нагрева и технологических факторов;
– получение жаростойких бетонов с требуемыми физикомеханическими,
физико-химическими,
теплофизическими
и
термомеханическими свойствами.
Область исследования соответствует требованиям паспорта научной
специальности ВАК: 05.23.05 – Строительные материалы и изделия, пункту 7
«Разработка составов и принципов производства эффективных строительных
материалов с использованием местного сырья и отходов промышленности».
Научная новизна:
– доказана возможность эффективного использования базальтового
заполнителя месторождения «Ахвай» Республики Дагестан и отходов
производства керамического кирпича в качестве тонкомолотой добавки с
активацией вяжущей связки портландцемент – тонкомолотая добавка при
производстве жаростойких бетонов с температурой применения до 700оС;
– исследовано влияние механической и механохимической активации
композиционного вяжущего на структуру жаростойкого базальтового бетона
в зависимости от рецептурно-технологических факторов, а именно: времени
активации, количества оборотов барабана в минуту, количества минеральной
добавки, тонкости помола, количества вяжущего, водосодержания бетонной
смеси, времени уплотнения, времени перемешивания, величины пригруза;
– выявлены закономерности изменения прочности, плотности, усадки,
теплопроводности, коэффициента линейного температурного расширения и
термомеханических характеристик жаростойкого бетона в зависимости от
температуры нагрева;
– установлено, что механическая и механохимическая активация
вяжущей связки портландцемент – тонкомолотая добавка в технологии
производства жаростойкого базальтового бетона обеспечивает условия для
сокращения пространства между частицами вяжущего за счет снижения
количества воды затворения и химически несвязанной воды, уменьшения
пористости бетона;
– выявлено, что вследствие снижения порового давления в бетоне
уменьшается образование трещин в межпоровых перегородках, что
предотвращает взрывообразное разрушение жаростойкого базальтового
бетона и улучшает его физико-механические, физико-химические,
теплофизические и эксплуатационные характеристики.
5
Теоретическая значимость исследования заключается в
- возможности эффективного использования базальтового заполнителя
месторождения «Ахвай» Республики Дагестан и отходов производства
керамического кирпича в качестве тонкомолотой добавки из минерального
сырья Каспийского месторождения с дальнейшей активацией вяжущей
связки портландцемент – тонкомолотая добавка при производстве
жаростойких бетонов с температурой применения до 700оС;
- изучении влияния механической и механохимической активацией
вяжущих на физико-механические, физико-химические, теплофизические,
термомеханические свойства жаростойкого бетона;
- изложении роли механической и механохимической активации
композиционного вяжущего, обеспечивающего вследствие его высокой
дисперсности условия для улучшения эксплуатационных характеристик за
счет изменения технологических параметров изготовления жаростойких
бетонов;
- проведении модернизации технологии получения жаростойких
бетонных смесей с включением в технологическую схему производства
планетарной мельницы для механохимической активации вяжущего;
- доказательстве, что механохимическая активация композиционного
вяжущего на основе связки портландцемент-тонкомолотая добавка боя
керамического кирпича уменьшает количество воды затворения, усадочные
деформации, повышает предел прочности, снижает поровое давление в
структуре жаростойкого бетона при нагреве, уменьшает количество
химически несвязанной воды, что снижает вероятность деструктивных
явлений в бетоне и взрывоопасного его разрушения;
- исследовании закономерности процесса структурообразования и
формирование свойств, активированных композиционных вяжущих на основе
связки портландцемент-тонкомолотая добавка боя керамического кирпича,
которые позволяют расширить экспериментальные данные в области
строительного материаловедения, а именно в области технологии
жаростойких бетонов;
- внедрении результатов экспериментальных исследований в учебный
процесс ДГТУ при подготовке бакалавров по направлению «Строительство»
в методические указания по выполнению лабораторных работ по
строительным материалам, курсового и дипломного проекта по профилям
подготовки «Производство строительных материалов, изделий и
конструкций» и «Промышленное и гражданское строительство».
Практическая значимость работы:
– разработаны составы активированного вяжущего и бетонной смеси и
установлены
основные
технологические,
теплофизические
и
термомеханические параметры для производства жаростойкого базальтового
бетона из местного минерального сырья (Заявка №2017136602 (приоритет) от
17.10.2017г. «Блок для футеровки металлической поверхности различных
тепловых агрегатов»);
6
–
разработана
ресурсосберегающая
технология
получения
жаростойкого бетона с тепловлажностной обработкой для применения на
действующих заводах ЖБИ и открытых полигонах по производству сборного
железобетона;
– проведена производственная апробация результатов исследований,
разработан технологический регламент на производство жаростойких
изделий на основе местных базальтовых заполнителей и активированного
вяжущего для изготовления блоков футеровки газохода размерами
300×300×250мм с классом бетона по предельно допустимой температуре
применения И7 и классом по прочности на сжатие В30. Общий
экономический эффект при футеровке газоходов одной тоннельной печи для
обжига керамического кирпича составляет до 17тыс. рублей на 1 м3;
– технико-экономический расчет показал сокращение затрат на
футеровку различных тепловых агрегатов на 150%.
Теоретические положения диссертационной работы и результаты
экспериментальных исследований используется в учебном процессе ДГТУ
при подготовке бакалавров по направлению «Строительство».
Методология и методы исследования. Методологическая база
исследования жаростойкого базальтового бетона на активированном
вяжущем
из
местного
минерального
сырья
основывалась
на
фундаментальных положениях технологии жаростойких бетонов. В
экспериментальных
исследованиях
оптимизация
состава,
физикомеханических и технологических факторов, получение жаростойкого
базальтового бетона на основе местного минерального сырья проведена с
использованием методов математического планирования эксперимента.
Исследования процесса формирования структуры жаростойкого базальтового
бетона, структуры и ее влияние на свойства жаростойкого базальтового
бетона с применением активированного композиционного вяжущего
вещества
проводились
по
стандартным
методам
исследования,
теплофизические и термомеханические исследования проведены по
специально разработанной методике.
Степень достоверности и апробация результатов диссертации.
Степень обоснованности и достоверности научных исследований,
теоретических и практических выводов, которые сформированы в
диссертации, подтверждена достаточным объемом экспериментальных
данных, полученных в лабораторных условиях с использованием
современных методов исследований и инструментальных средств измерения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на: научно-технических конференциях
профессорско-преподавательского состава ДГТУ (г. Махачкала, 2011-2017 г.);
научных семинарах кафедр технологии и организации строительного
производства и строительных материалов и инженерных сетей ДГТУ;
Всероссийской
научно-практической
конференции
«Компьютерные
технологии в строительстве» (г. Махачкала, 2011 г.); Всероссийской научно7
практической конференции «Высокотехнологичные и энергоэффективные
технологии и материалы в современном строительстве» (г. Махачкала,
2014г.); Международной научно-практической конференции, посвященной
95-летию ФГБОУ ВО «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщикова» (г. Грозный,
2015г.); Всероссийской научно-практической конференции «Новые
строительные технологии и материалы» (г. Махачкала, 2016 г.);
межрегиональной с международным участием специализированной
строительно-архитектурной выставке-форуме «ДАГСТРОЙЭКСПО - 2016,
2017 г.» (г. Махачкала); научно-техническом совещании Министерства
промышленности и торговли Республики Дагестан (г. Махачкала, 2016г.);
научно-техническом совещании Министерства строительства и ЖКХ
Республики Дагестан (г. Махачкала, 2017г.).
Публикации. По результатам исследований опубликованы 12 научных
статей, в том числе 6 публикаций в рецензируемых изданиях, включенных в
Перечень ВАК РФ, получен 1 патент на полезную модель РФ.
Личный вклад соискателя. Заключается в планировании и реализации
экспериментальных исследований, обработке и интерпретации полученных
данных, внедрении результатов исследования. Основные научные результаты
получены соискателем лично. Отдельные вопросы теоретических и
экспериментальных исследований и внедрение результатов выполнены с
авторами, приведенными в списке публикаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
пяти глав, общих выводов, заключения, списка литературы из 170
наименований и 8 приложений. Диссертация изложена на 155 страницах и
включает 51 рисунок и 22 таблицы.
Автор выражает благодарность за научные консультации д.т.н.,
профессору Т.А. Хежеву.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, степень
разработанности, сформулированы цель и задачи исследования, научная
новизна, методы исследования, практическая значимость и апробирование
работы.
В первой главе «Состояние вопроса, Цель и задачи исследования»
рассматривается состояние вопроса в области исследований жаростойких
бетонов на различных вяжущих веществах и пути расширения области их
эффективного применения. Установлено, что для повышения жаростойких
свойств цементного камня применяются тонкомолотые добавки различного
происхождения.
Выявлена
возможность
получения
жаростойкого
о
базальтового бетона с температурой применения до 700 С из местного
минерального сырья месторождения «Ахвай» Республики Дагестан. Проведен
литературный анализ различных жаростойких бетонов и способы повышения
их эксплуатационных свойств. Показано, что использование базальтового
8
заполнителя из местного минерального сырья может позволить получить
эффективный жаростойкий бетон для футеровки тепловых агрегатов с
температурой эксплуатации до 700оС. Установлено, что использование в
качестве тонкомолотой добавки боя керамического кирпича с последующей
их механической и механохимической активацией с портландцементом
позволит повысить эксплуатационные свойства жаростойких бетонов. Кроме
того, делается вывод, что механохимическая активация композиционного
вяжущего позволит уменьшить деструктивные явления в бетоне в процессе
сушки и 1-го нагрева и вывода теплового агрегата на рабочий режим.
Во второй главе «Материалы, оборудования и методы
исследования» приведены характеристики используемых материалов и
методика исследований: портландцемент ПЦ500-ДО производство ЗАО
«Серебряковцемент», отходы боя керамического кирпича Каспийского
кирпичного завода Республики Дагестан, базальтовый заполнитель фракции
0,16÷5мм месторождений «Ахвай» Республики Дагестан и «Марнеули»
Грузии.
Характеристика материалов и изделий определялись по ГОСТам:
средняя плотность по ГОСТ 12730.1-78; прочность по ГОСТ 10180-90;
коэффициент теплопроводности и коэффициент линейного температурного
расширения по методике, разработанной Дагестанским научным центром
РАН; термомеханические характеристики по методике, разработанной
институтом механики МГУ им. М.В.Ломоносова на установке СТС-1000;
жаростойкие свойства компонентов по ГОСТ 20910-90 в электрической
муфельной печи. В исследованиях применялись методы математического
планирования эксперимента и методы статистической обработки данных.
Метод математического планирования эксперимента позволяет подобрать
оптимальную грануллометрию в зависимости от физико-механических
свойств бетона.
Третья
глава
«Разработка
технологии
получения»,
активированного
композиционного
вяжущего
и
исследование
жаростойких свойств цементного камня в зависимости от соотношения
компонентов и степени активации» посвящена разработке технологии
получения, активированного композиционного вяжущего и исследованию их
жаростойких свойств. Выявлено, что совместный помол с регулируемым
измельчением позволяет повысить химическую активность компонентов
вяжущего, ускоряет процесс схватывания и твердения вяжущего. Активация
точек контакта портландцемента и добавки влечет за собой повышение и
увеличение плотности раствора, физико-механических и эксплуатационных
характеристик жаростойкого бетона, огнеупорности и жаростойкости.
Активация компонентов вяжущего приводит к накоплению энергии на
поверхности раздела фаз из-за отсутствия компенсирующих связей.
Отсутствие связей на поверхности раздела интенсифицирует процесс
протекания
химических
реакций.
Особенно
важна
активация
двухкомпонентных вяжущих веществ, таких, как «портландцемент – бой
9
керамического кирпича». Известно, что при прохождении химических
реакций связывание гидрооксида кальция происходит на ранних стадиях
твердения, пока раствор находятся во влажном состоянии. Это позволяет
уменьшить усадочные процессы и увеличить прочность затвердевшего
раствора. Раздвижка зерен цемента и степень их гидратации зависят от
водоцементного отношения. Чем больше В/Ц, тем больше расстояние между
зернами и несмотря на большую степень гидратации связи между зернами
слабые, следовательно, уменьшение В/Ц связанное с механохимической
активацией вяжущей связки играет важную роль в формировании порового
пространства
жаростойкого
бетона,
определяют
его
влажность,
проницаемость, теплопроводность и деформативность. Пористость
жаростойкого бетона на портландцементе твердевшего в нормальных
условиях с повышением содержания тонкомолотой добавки до 30%
увеличивается в среднем только на 3-5%. Изменение количества
тонкомолотой добавки влияет только на распределение пор по их размерам.
Активация вяжущей связки позволяет интенсифицировать процесс
гидратации, уменьшить количество капиллярных пор, а при нагреве в
температурном диапазоне 280÷320оС активизированная тонкомолотая
добавка боя глиняного кирпича более полно связывает свободные радикалы
оксида кальция, которые появляются в следствии дегидратации минералов
цементного камня. Таким образом активация вяжущей связки
«портландцемент – тонкомолотая добавка из боя керамического кирпича»
позволяет уменьшить В/Ц отношение, интенсифицировать процесс
гидратации, уменьшить количество капиллярных пор за счет снижения
гелевого пространства. Результаты испытания образцов на сжатие
композиционного вяжущего без активации и активизированного при нагреве
приведены на рисунках 1,2 и 3.
Рисунок 1 - Зависимость прочности образцов на сжатие из жаростойкого
композиционного вяжущего без активации от количества тонкомолотой добавки
D, %
10
Рисунок 2 - Зависимость прочности образцов на сжатие из жаростойкого
композиционного вяжущего после механической активации от количества
тонкомолотой добавки D, %
Рисунок 3 - Зависимость прочности образцов на сжатие из жаростойкого
композиционного вяжущего после механохимической активации от
количества тонкомолотой добавки D, %
Анализ зависимости прочности образцов вяжущего от температуры
нагрева (рис. 1,2 и 3) с различным содержанием тонкомолотой добавки
показывает, что при температуре нагрева 105оС наблюдается наибольший
рост прочности бетона у составов с тонкомолотой добавки от 20% до 40% по
массе. При повышении температуры нагрева до 700оС наблюдается снижение
прочности образцов, за исключением образцов с содержанием тонкомолотой
добавки до 40 %.При дальнейшем повышении температуры нагрева
наблюдается существенное снижение прочности вяжущего – 40–60%.
Активация вяжущего так же снижает водопотребность растворных и
бетонных смесей на 20 – 25% и сокращает время набора прочности бетона.
Четвертая глава «Жаростойкие базальтовые бетоны на
активированном композиционном вяжущем» посвящена исследованию
базальтовых бетонов на активированном композиционном вяжущем.
Базальтовый заполнитель в силу низкой огнеупорности ограничен
11
температурой применения до 700оС.Достаточно большой объем конструкций
различных тепловых агрегатов предприятий промышленности строительной
индустрии, нефтехимической промышленности и металлургической
промышленности эксплуатируются именно в температурном диапазоне до
700оС. Исследования, проведенные в диссертационной работе по подбору
оптимальной гранулометрии для жаростойких базальтовых бетонов,
позволяют сделать вывод, что для изготовления штучных изделий в виде
жаростойких блоков для футеровки газоходов наибольший размер зерѐн
заполнителя следует принимать равным 5мм.
Для оптимизации свойств жаростойкого базальтового бетона на
композиционном вяжущем с механохимической активацией регулированием
зернового состава заполнителя был поставлен симплексно-центроидный план
эксперимента в виде равностороннего треугольника.
Переменными при проведении эксперимента являлись:
– Х1 – содержание в заполнителе зѐрен диаметром 2,5<d <5 мм;
– Х2 – содержание в заполнителе зѐрен диаметром 0,63<d <2,5 мм;
– Х3 – содержание в заполнителе зѐрен диаметром 0,16<d<0,63 мм.
Параметры оптимизации:
– Y1 – предел прочности на сжатие возрасте 28 суток естественного
твердения и нагреве до температуры 700оСRсж., МПа;
– Y2 – предел прочности на изгиб возрасте 28 суток естественного
твердения и нагреве до температуры 700оСRизг., МПа.
После проверки значимости всех коэффициентов уравнения регрессии
имеют вид:
Y1 = 43,3X1+30,11X2+27,22X3+50,86X1X2+26,04X1X3+19,02X2X3-15,29X1X2X3
Y2 = 9,18X1+9,48X2+7,5X3+7,6X1X2-0,32X1X3-1,92X2X3-2,33X1X2X3
Графическая интерпретация полученных результатов представлена на
рисунке 4.
Рисунок 4 - Диаграммы состояния «состав–свойства». Здесь: Rсж, МПа –
предел прочности при сжатии; Rизг, МПа – предел прочности при изгибе
12
Анализ диаграммы показывает следующее. По мере увеличения в
составе заполнителя крупной фракции (частицы более 0,63 мм) предел
прочности при сжатии и изгибе жаростойкого базальтового бетона при
нагреве до температуры 700оС повышаются. Это происходит за счет более
компактного расположения зерен песка. При переходе же от крупных
фракций к мелким предел прочности при сжатии и изгибе бетона снижаются.
Следует также отметить, что с повышением содержания в смеси пылевидных
частиц увеличивается ее водопоглощение, что говорит об ухудшении
структуры бетона. Точка, соответствующая рядовому (контрольному) составу
базальтового песка находится примерно в середине плана эксперимента. Этот
факт является благоприятным для изменения зернового состава песка в
различных направлениях.
Вместе с тем, необходимость рассева подразумевает установку
дополнительного оборудования, что ведет к повышению энергозатрат и
удорожанию производства, которое можно оправдать только комплексным
улучшением характеристик бетона. Поэтому для дальнейших исследований
жаростойкого базальтового бетона целесообразно применение базальтового
заполнителя контрольного зернового состава.
В дальнейших исследованиях для определения свойств жаростойкого
базальтового бетона изготавливались образцы-кубы размерами 10 10 10 см
из оптимального состава. Формовались бетоны из вяжущего без активации, а
также с механической и механохимической активацией вяжущего. На
рисунке 5 приведены зависимости прочности при сжатии от температуры
нагрева бетона оптимального состава на трех видах композиционного
вяжущего с тонкомолотой добавкой до 30%. Анализ зависимости прочности
образцов свидетельствует о том, что при повышении температуры нагрева
наблюдается плавное снижение предела прочности на сжатие, в интервале
температуры от 100-400оС на 20-25% и в интервале температур 500-600оС до
40%. Интервал температур 500-800оС характеризуется дегидратацией
гидрооксида
кальция,
что
вызывает
нарушение
структуры
портландцементного камня и приводит к снижению прочности. В
портландцементном камне на основе тонкомолотой добавки из боя
обожженного керамического кирпича наблюдается увеличение прочности
после высушивания образцов до постоянной массы. Это происходит
вследствие уплотнения структуры цементного камня в процессе удаления
воды, в результате прочность повышается в 1,5-2 раза относительно
исходной.
13
Рисунок 5 - Зависимость прочности образцов жаростойкого бетона от
температуры нагрева
Анализ зависимости коэффициента теплопроводности от температуры
нагрева (рисунок 6) показывает, что с увеличением температуры нагрева
теплопроводность уменьшается для всех трех составов с разными значениями
с
механохимической
активацией
композиционного
вяжущего
«портландцемент – тонкомолотая добавка».
Исследования показали, что теплопроводность уменьшается с
увеличением концентрации SiO в аморфной форме. Уменьшение
теплопроводности закономерно для кристаллических тел, теплопроводность
которых снижается при нагреве, так как преобладающими фазами является
кремнезем (48÷53 %). Низкая теплопроводность способствует уменьшению
тепловых потерь при работе тепловых агрегатов. Из рисунка 6 видно, что для
состава без активации композиционного вяжущего коэффициент
теплопроводности λ при температуре 25 оС равен 1,75 Вт/м оС, при
температуре 350 оС равен 1,0 Вт/м оС, а при температуре 700 оС – 0,85 Вт/м
о
С, т.е. снижается вдвое относительно 25 оС. Для состава с активацией
вяжущего до тонкости помола 5500 см2/г коэффициент теплопроводности λ
при температуре 25 оС равен 2,25 Вт/м оС, при 350оС равен 1,32 Вт/м оС, а при
температуре 700 оС равен 1,15 Вт/м оС.
14
Рисунок 6 - График зависимости коэффициента теплопроводности бетона от
температуры нагрева
На рисунке 7 представлены графические зависимости значений
коэффициента линейного температурного расширения жаростойкого
базальтового бетона после механохимической активации композиционного
вяжущего. Опыты проводились на образцах при первом и втором их нагреве
до температуры 800 оС и охлаждении до 20 оС. Усадочные деформации в
бетоне прекращаются во время сушки образцов жаростойкого бетона при
температуре105 оС, то можно утверждать, что усадочные деформации при
более высоких температурах не оказывают большое влияние на коэффициент
линейного температурного расширения. Опыты проводились на образцах при
первом нагреве после сушки при 105 оС на бетоне с механохимической
активацией композиционного вяжущего. Усадочные деформации в бетоне
связанные с обезвоживанием прекращается в процессе сушки в интервале
температур 180÷220 оС. Возрастание значения коэффициента линейного
температурного расширения (КЛТР) наблюдается в интервале размягчения и
образования плавня, сопровождающий возникновением новообразований.
Снижение КЛТР у бетона с механохимической активацией композиционного
вяжущего «портландцемент – тонкомолотая добавка из боя керамического
кирпича» связана с уменьшением гелевого пространства между частицами
цемента за счет интенсификации реакций гидратации увеличением средней
плотности и прочности бетона.
15
Рисунок 7 - Зависимость коэффициента линейного температурного расширения
бетона от температуры нагрева
Таким образом, можно констатировать, что в диапазоне температур от 100
до 600 оС отмечается повышение КЛТР примерно на 10 %, далее к 700 оС
происходит снижение КЛТР примерно на 5 %, после 800 оС отмечается более
значительное повышение величины КЛТР. В рабочем диапазоне температур до
700 оС КЛТР жаростойкого базальтового бетона изменяется в пределах 10 %. С
повышением тонкости помола вяжущего до 5500 см2/г отмечается снижение
КЛТР примерно на 15 %. Так как термомеханические свойства являются одним
из важных показателей, были проведены исследования этих свойств
жаростойкого базальтового бетона на композиционном вяжущем с температурой
применения до 700 оС. Исследования были проведены по методике,
разработанной в НИИ института механики МГУ им. М.В. Ломоносова.
Сущность методики заключается в определении термомеханических свойств
образцов бетона при одноосном сжатии и ассиметричном изометрическом
нагреве до заданных температур, исследование образцов бетона проводили на
установке СТС–10/1150. Для определения термомеханических свойств
использовали образцы после сушки при температуре 105 оС. Образцы были
изготовлены из оптимального состава жаростойкого базальтового бетона с
механохимической активацией композиционного вяжущего и без активации
вяжущего. Целью данных исследований является определение зависимости
прочности и деформации бетона от температуры нагрева, а также определение
влияния механической активации на структурную стабильность и
термомеханические свойства жаростойкого базальтового бетона на основе
композиционного вяжущего. На рисунках 8 и 9 приводятся кривые напряжение –
деформация.
16
Ϭ, МПа
30
20 °С
200 °С
400 °С
600 °С
25
20
15
10
5
0
0
0,025
0,05
0,075
0,1
0,125
e,%
0,15
Рисунок 8 - Зависимость деформации бетона  от напряжений  без активации
вяжущего при различных температурах
d, МПа
35
20 °С
30
200 °С
25
400 °С
20
600 °С
15
700 °С
10
5
e,%
0
0
0,025
0,05
0,075
0,1
0,125
0,15
Рисунок 9 - Зависимость деформации бетона  от напряжений  с активацией
вяжущего при различных температурах
На рисунке 10 представлена зависимость начального модуля упругости
исследованных бетонов от температуры нагрева. Значения начального модуля
упругости определены по диаграммам «напряжение – деформация» (рисунки
8, 9) при уровне нагружения, равном 0,3 от предела кратковременной
прочности бетона при соответствующей температуре.
17
Начальный модуль
упругости, МПа
60000
50000
40000
Eo БА
30000
Ео МХА
20000
БА СНиП
10000
МХА СНиП
0
0
200
400
600
800
Температура, С
Рисунок 10 - Изменение начального модуля упругости исследованных бетонов в
зависимости от температуры нагрева
Е0, БА; Е0 МХА – соответственно экспериментальные значения начального модуля
упругости бетона, полученного на вяжущем без активации и с механохимической
активацией;
БА СНиП, МХА СНиП – соответственно расчетные значения начального модуля
упругости бетона, полученного на вяжущем без активации и с механохимической
активацией, с применением коэффициента b, (п. 2.7, табл. 10 СНиП 2.03.04).
Очевидно, что:
– начальный модуль упругости бетона закономерно снижается с ростом
температуры прогрева, причем следует отметить, что при 700оС
механохимическая активация вяжущего практически не оказывает влияния на
величину начального модуля упругости, что, учитывая более высокое
значение прочности и модуля упругости бетона на активированном вяжущем
при нормальной температуре свидетельствует о повышении неупругих
свойств бетона на активированном вяжущем с повышением температуры;
– значения коэффициентов b в СНиП 2.03.04, учитывающие влияние
температуры на величину начального модуля упругости бетона несколько
занижены, особенно для бетона на неактивированном вяжущем (до 40 % при
600 оС и до 20% при 700оС). Обычно продолжительность вибрирования
принимают в 8…10 раз больше показателя жесткости смеси, определенном
при стандартных условиях (f = (3000+200) кол/мин, А = 0,5 мм). Имея
требуемые закономерности изменения первоначальной прочности Rсжи
плотности ρср. жаростойкого базальтового бетона от В/Т, можно рассчитать
состав
бетона
со
свойствами,
соответствующими
заданным
эксплуатационным условиям. С увеличением В/Т от 0,15 до 0,2 прочность и
средняя плотность бетона увеличивается до оптимальных значений, а при В/Т
значений меньше 0,15 начинают уменьшаться, что хорошо известно и связано
с недоуплотнением бетонной смеси при низких значениях величины В/Т.
Интенсивный рост прочности в пределах от 0,15 до 0,2 обусловлен
достаточно высоким растворением частиц портландцемента, образованием
гидрооксида кальция при минимальной свободной воде в бетоне, а также
18
более компактной упаковкой и сближением частиц бетонной смеси в
результате вибрационных воздействий. Уменьшение значений Rсжи ρср с
увеличением В/Т более 0,2 объясняется появлением химически несвязанной
временной свободной воды и, как следствие, образованием дополнительной
пористости и трещин в бетоне при тепловой обработке. Из анализа
проведенных исследований установлено, что давление пригруза должно
равномерно распределяться по всей поверхности изделия. При формовании
образцов виброуплотнением с пригрузом давление составляло 0,9; 0,11; 0,13;
0, 15; 0,17; 0,19; 0,21; 0,23; 0,25 МПа. Результаты исследований приведены на
рисунке 11. С увеличением величины давления от пригруза до (14 - 15) 10-2
МПа прочность бетона возрастает и составляет 32 МПа. Низкие результаты
прочности при малых значениях величины давления от пригруза объясняется
неравномерным распределением статистического давления поверхности
изделий. При увеличении давления от пригруза от (14 - 15)10-2МПа до 25 102
МПа прочность уменьшается до 20 МПа. Увеличение прочности, вероятно
происходит за счет бокового перемещения наиболее крупных зерен
заполнителя под давлением касательных напряжений, а также увеличения
внутренних напряжений в образце. Результаты исследований способа
формования жаростойкого базальтового бетона позволяет сделать вывод, что
наибольшее значение предела прочности при сжатии Rсж достигается при
величине пригруза от (13 ÷14) ∙10-2 МПа. Значение величины пригруза (13
÷14) ∙10-2МПа применяли для дальнейших исследований образцов
базальтового жаростойкого бетона, а также при изготовлении опытнопромышленных блоков для футеровки газоходов Каспийского кирпичного
завода ООО «Восток». Скорости нагрева блоков были выбраны на основе
анализа исследований, проведенных в лаборатории жаростойких бетонов и
огнестойкости конструкций Научно-исследовательского института бетона и
железобетона Госстроя РФ. Режимы первого нагрева, разработанные в
Научно-исследовательском институте бетона и железобетона, учитывают
связь массопереноса с напряженным состоянием бетона.
Рисунок 11 - Зависимость прочности от усилия пригруза
19
В основу этих исследований была заложена методика математического
моделирования процесса интенсивного нагревания бетона. Блоки для
футеровки газоходов, которые состоят из четырех лепестков, имеют толщину
25 см и длину 50 см. Анализ показывает, что при этих размерах блоков режим
нагрева блоков из жаростойкого бетона на основе портландцемента должен
удовлетворять следующим требованиям: скорость нагрева от начальной
температуры до 100 оС должна составлять не более 25 оС/ч; скорость нагрева
от 100 оС до 600 оС должна составлять не более 25 оС/ч; скорость нагрева от
600 оС до 700 оС должна составлять не более 20 оС/ч.
В пятой главе «Внедрение и технико-экономическое обоснование
эффективности применения жаростойкого базальтового бетона»
представлены результаты опытно-промышленной проверки разработанного
жаростойкого базальтового бетона на основе композиционного вяжущего.
Блоки из разработанного состава жаростойкого бетона были использованы
для футеровки газоходов туннельной печи обжига кирпича. Эксплуатация
футеровки из блоков жаростойкого базальтового бетона с апреля 2014 г. по
апрель 2017г. показала, что футеровка отвечает всем предъявляемым
эксплуатационным требованиям. Разработан технологический регламент на
изготовление блоков для футеровки газоходов жаростойкого базальтового
бетона на композиционном вяжущем из местного минерального сырья.
Разработанная технология может быть внедрена на предприятиях
строительной индустрии Республики Дагестан и Северо-Кавказского региона
без значительных затрат. Целесообразность организации производства по
выпуску блоков из разработанного жаростойкого бетона можно обосновать
следующими факторами: отсутствие в регионе предприятий по выпуску
огнеупорных изделий; востребованность таких изделий на предприятиях
строительной индустрии региона; наличие в регионе запасов минерального
сырья для производства базальтового жаростойкого бетона с температурой
применения до 700оС; достаточно простая технология изготовления блоков из
жаростойкого базальтового бетона; использование в качестве тонкомолотой
минеральной добавки боя керамического кирпича, запасы которого имеются
на кирпичных заводах в достаточном количестве; утилизация отходов
производства керамического кирпича; охрана окружающей среды;
производство блоков для футеровки газоходов из жаростойкого базальтового
бетона на основе местного минерального сырья по без обжиговой технологии
позволяет уменьшить расход тепла на единицу продукции за счет исключения
из технологической цепочки обжига изделий. Выше приведенные
преимущества позволяют получить значительный экономический эффект при
применении для футеровки газоходов и других конструкций предприятий
промышленности строительной индустрии блоков из жаростойкого
базальтового бетона на основе местного минерального сырья с температурой
применения до 700оС. Экономический эффект от применения блоков для
футеровки газоходов из разработанного жаростойкого бетона составляет
17000 рублей на 1 м3 футеровки.
20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Экспериментально-теоретические
исследования,
закономерности
процесса структурообразования и формирования свойств активированных
композиционных вяжущих на основе связки портландцемент – тонкомолотая
добавка позволили расширить экспериментальные данные в области
строительного материаловедения, и развить методологические основы
создания жаростойких бетонов с температурой применения до 700 оС
улучшенными эксплуатационными свойствами.
Итоги выполненного исследования.
1. На основе анализа научных исследований в области жаростойких
бетонов
на
портландцементе
обоснованы
методы
активации
композиционного вяжущего «портландцемент + тонкомолотая добавка из
кирпичного боя» для улучшения эксплуатационных характеристик
жаростойкого базальтового бетона.
2. Сформулирована рабочая гипотеза о возможности повышения
реакционной активности композиционного вяжущего «портландцемент +
тонкомолотая добавка из кирпичного боя» с применением планетарной
мельницы «Активатор–4М» до механохимической реакции.
3. Сформулирована цель работы и определены задачи исследования по
разработке технологических основ получения базальтового жаростойкого
бетона, на основе активированного композиционного вяжущего
«портландцемент +тонкомолотая добавка».
4. Механохимическая активация вяжущего портландцемент + бой
керамического кирпича уменьшает количество воды затворения в
жаростойкой бетонной смеси до 20 %. за счет ускорения протекания
химических реакций, связанной с увеличением реакционной способности
активированного композиционного вяжущего.
5. Механохимическая активация вяжущего портландцемент + бой
керамического кирпича снижает усадочные деформации до 20 % и повышает
предел прочности затвердевшего бетона до 60 %.
6. Уменьшение величины В/Ц за счет механохимической активации
вяжущего приводит к снижению количества химически не связанной воды и
порового давления в структуре жаростойкого бетона при нагреве и выводе
теплового агрегата на рабочий режим, что снижает вероятность
взрывоопасного разрушения бетона и другие деструктивные явления.
7. Исследования по подбору оптимальной гранулометрии для зернового
состава жаростойких бетонов и зависимости от крупности зерен заполнителя
и компактной его упаковки позволяют сделать вывод, что верхний предел
крупности зерен заполнителей для изготовления штучных изделий
жаростойких бетонов можно принять равным 5мм.
8. Изучение микрофотографий образцов бетонов при температуре
нагрева 105°С, 350°С и 700°С на основе заполнителей месторождения
«Ахвай» при механохимической активации композиционного вяжущего
показывает, что способствует увеличению адгезии заполнителя к
21
цементирующей матрице контактного слоя, который способствует
повышению прочностных и эксплуатационных показателей бетона.
9. Анализ зависимости коэффициента теплопроводности от
температуры нагрева показывает, что с увеличением температуры нагрева
теплопроводность уменьшается для всех составов бетона с разными
заполнителями механохимической активации, что способствуют уменьшению
тепловых потерь при работе силовых агрегатов.
10. По результатам инженерно-геологического отчета месторождения
базальта в Рутульском районе недалеко от селения «Ахвай» Республики
Дагестан, по данным института геологии Дагестанского научного центра
выявлено, что месторождение может быть использовано для промышленной
разработки базальта, как заполнителя для получения специального бетона.
11. Экономический эффект от внедрения технологии изготовления
блоков из жаростойкого базальтового бетона на активированном вяжущем
для футеровки газоходов туннельной печи обжига кирпича из местного
минерального сырья по сравнению с привозными шамотными огнеупорными
материалами составляет 17000 руб. на 1м3 футеровки за счет низкой
стоимости заполнителя и применения тонкомолотой минеральной добавки.
Рекомендации. Разработанные в диссертационной работе жаростойкие
бетоны могут быть применены при изготовлении блоков для футеровки
газоходов туннельной печи обжига керамического кирпича в заводских
условиях, а так же для бетонирования конструкций тепловых агрегатов с
температурой эксплуатации до 700 оС.
Перспективы дальнейшей разработки темы. Дальнейшее развитие
темы может быть связано с исследованиями: создания композиционных
вяжущих различного состава для получения фиброармированных
жаростойких бетонов с различными эксплуатационными характеристиками;
разработки технологии изготовления различных жаростойких изделий для
футеровки тепловых агрегатов.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО
ТЕМЕДИССЕРТАЦИИ:
Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях,
рекомендованных ВАК РФ:
1.
Курбанов, Р.М. Технология устройства монолитной футеровки
шахтной печи для обжига извести применением автоматизированного модуля
использующей опалубки / Г.Н. Хаджишалапов, Р.М. Курбанов, А.М.
Гаджиев//Вестник
Дагестанского
государственного
технического
университета. Технические науки. – Махачкала. – 2011. – №4 (Т.23). – С.112116. (0,375/0,125 п.л.)
2.
Курбанов, Р.М. Технология и свойства огнезащитных
фиброгипсовермикулитобетонных композитов с применением вулканических
горных пород/ Т.А.Хежев, Г.Н.Хаджишалапов, Х.А.Хежев, Р.М. Курбанов//
Вестник Дагестанского государственного технического университета.
22
Технические науки. – Махачкала. – 2013. – №1 (Т.28). – С. 77-83. (0,75/0,25
п.л.)
3.
Курбанов, Р.М. Исследование жаростойкого бетона на основе
базальтового заполнителя для обетонирования металлических конструкций
/Р.М. Курбанов, Г.Н. Хаджишалапов, Т.А. Хежев// Вестник Дагестанского
государственного технического университета. Технические науки. –
Махачкала. – 2013. – №1 (Т.31). – С. 61-65. (0,52/0,17 п.л.)
4.
Курбанов, Р.М. Мелкозернистые фибробетоны с применением
вулканического пепла, армированные базальтовыми волокнами/ И.А.
Дзугулов, А.Р. Кажаров, Р.М. Курбанов // Вестник Дагестанского
государственного технического университета. Технические науки. –
Махачкала. –2015. – №1 (Т.36). – С. 101-106. (0,6/0,2 п.л.)
5.
Курбанов, Р.М. Жаростойкое активированное вяжущее на основе
портландцемента /Г.Н. Хаджишалапов, Т.А. Хежев//Вестник Дагестанского
государственного технического университета. Технические науки. –
Махачкала. – 2016. – №3 (Т.42). – С.175-182. (0,57/0,19 п.л.)
6.
Курбанов, Р.М. Влияние зернового состава заполнителя на
свойство жаростойкого базальтового бетона/ А.М. Гаджиев, Р.М. Курбанов,
Г.Н. Хаджишалапов, Т.А. Хежев//Вестник Дагестанского государственного
технического университета. Технические науки. – Махачкала. – 2017. – №3
(Т.44). – С.146-155. (0,75/0,19 п.л.)
Статьи в других изданиях:
7.
Курбанов, Р.М. Дисперсно-армированные бетоны для высоких
температур на основе базальтовых глин / Г.Н. Хаджишалапов, Р.Г. Раджабов,
А.А. Алибеков, Р.М. Курбанов // Компьютерные технологии в строительстве:
материалы Всероссийской научно-технической конференции. -Махачкала:
ДГТУ, 2012. – С. 169 – 172. (0,3/0,08 п.л.)
8.
Курбанов,
Р.М.
Жаростойкое
вяжущее
на
основе
портландцемента с активацией на «Активаторе-4М» / Г.Н. Хаджишалапов,
А.М. Гаджиев, Р.Г. Рикматулаев, Р.М. Курбанов // Компьютерные технологии
в
строительстве:
материалы
Всероссийской
научно-технической
конференции. - Махачкала: ДГТУ, 2012. – С. 172 – 174. (0,25/0,06 п.л.)
9.
Курбанов, Р.М. Бетон для высоких температур на основе
базальтового гравия / Г.Н. Хаджишалапов, Х.М. Абакаров, Р.М. Курбанов //
Высокотехнологичные и энергоэффективные технологии и материалы в
современном строительстве: материалы Всероссийской научно-технической
конференции, 23-25 октября 2014г. - Махачкала: ДГТУ, 2014. - С. 148- 152.
(0,18/0,06 п.л.)
10. Курбанов, Р.М. Базальтовый жаростойкий бетон для
обетонирования металлических конструкций. / Г.Н. Хаджишалапов, Р.М.
Курбанов // Современные строительные материалы, технологии и
конструкции:
материалы
Международной
научно-практической
конференции, посвященной 95-летию ФГБОУ ВПО «ГГНТУ им. акад.
23
М.Д.Миллионщикова», 24-26 марта 2015г. – Грозный: ГГНТУ, 2015. - Т.1.- С.
451-455. (0,5/0,25 п.л.)
11. Курбанов, Р.М. Исследование жаростойких свойств цементного
камня в зависимости от соотношения компонентов и степени активации /
Р.М. Курбанов // Современные строительные технологии и материалы:
материалы Всероссийской научно-технической конференции, 22-23 ноября
2016г. - Махачкала: ДГТУ, 2017. - С.95-99. (0,375 п.л.)
12. Курбанов, Р.М. Технология активации композиционного
вяжущего с применением боя керамического кирпича на планетарной
мельнице «Активатор-4М» / Р.М. Курбанов // Современные строительные
технологии и материалы: материалы Всероссийской научно-технической
конференции, 22-23 ноября 2016г. - Махачкала: ДГТУ, 2017. – С. 99-102. (0,25
п.л.)
24
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
986 Кб
Теги
вяжущем, бетона, жаростойкий, базальтовой, композиционные
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа