ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ТА ТЕХНОЛОГІЧНІ ЗАСАДИ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВИКОРИСТАННЯ НЕГАШЕНОГО ВАПНА У КОМПОЗИЦІЙНИХ В’ЯЖУЧИХ СИСТЕМАХ :

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність дисертації, сформульовано мету, основні задачі досліджень і зазначено найголовніші положення, що отримані автором,   мають наукову та практичну цінність.

Перший розділ присвячено критичному аналізу вітчизняних та зарубіжних наукових праць з проблематики технології  вапняновмісних в’яжучих спеціального призначення та використанню різних способів регулювання активності  кальцію оксиду з метою забезпечення гідратаційного тверднення та здатності до роз­ши­рення.

Наявність в’яжучих властивостей сполук  кальцію  оксиду  та його  підвищений

вміст у земній корі зумовило широке використання кальцієвих в’яжучих у будівельній практиці. Низька енергія звʼязку Са–О зумовлює вʼяжучі властивості системи на основі СаО з енергетичної точки зору. Найбільш простим в’яжучим є кальцію оксид, однак у результаті значного тепловиділення (1160 Дж на 1 г СаО), процес його гідратації не закінчується утворенням міцної структури. Сучасна технологія  одержання клінкерних цементів в роботах  М.В. Бєлова, Л.Г. Шпинової,                    М.А. Саницького та ін. розглядається  як спосіб зменшення гідратаційної активності СаО шляхом введення при випалі дрібних сильнополяризуючих катіонів Si⁴⁺, Al³⁺, Fe³⁺ та ін. Однак отримання алітових цементів (КН=0,90–0,92), що харак­тери­зуються високою гідравлічною активністю у ранні терміни тверднення, потребує значних енергетичних затрат (3500–4500 кДж/кг клінкеру). Гідросилікати кальцію, що, в основ­ному, визначають міцнісні характеристики клінкерних цементів, можна розглядати як портландитовий каркас для конденсації SiO₄-тетраедрів у процесі гідаратації силікатних мінералів. Тому значний прак­тичний інтерес представляє розроблення в’яжучих композицій, в яких початкова міц­ність забезпечується структурою із портландиту внаслідок гідратаційного тверд­нення CаО, а подальше структуроутворення відбувається при гідратації клін­керних мінералів.

 Традиційне використання будівельного вапна передбачає його гасіння,  пере­творення в гідрат і виготовлення в’яжучих, тобто загальний процес тверднення гід­рат­ного вапна поділяється на гідратацію, винесену за межі тверднучої системи та структуроутворення у гідратованому продукті.

Узагальнення науково-технічної інформації щодо закономірностей прояву гідра­таційної активності клінкерних мінералів, лужних та лужноземельних оксидів (В.Д. Глуховський, В.І. Бабушкін, О.П. Мчедлов-Петросян, О.Є. Алексенко,          Б.В. Осін, О.О. Пащенко, М.А. Саницький, Л.Г. Шпинова,  В.Д. Барбанягре,                 М.В. Бєлов, В.Є. Каушанський, В.В. Капранов, І.Г. Лугініна, А.Ф. Полак,                   М.М. Сичов, Х.Ф. Тейлор та ін.), механізму гідратації і тверднення вʼяжучих речовин (А.А. Плугін, О.В. Ушеров-Маршак, В.В. Чистяков, В.В. Данілов,                    В.Б. Ратінов, П.А. Ребіндер, В.В. Тімашев, Г.Л. Калоусек, В. Курдовскі,  Ф.М. Лі, В.С. Рамачандран, Р.Ф. Фелдман, Й. Штарк та ін.), теорії та практиці спеціальних вʼяжучих (Л.Й. Дворкін, П.В. Кривенко, К.К. Пушкарьова, Р.Ф. Рунова, А.А. Салєй, В.А. Свідерський, Х.С. Соболь, Г.М. Шабанова, Т.В. Кузнєцова, А. Волтер,             П. Мехта, Д.Х. Подгітер та ін.) дозволяє на основі комплексного підходу до керування процесами гідратації та струк­туро­утворення модифікованого кальцію оксиду обгрунтувати доцільність його вико­ристання у технології вʼяжучих речовин різного функціонального приз­начення.

Одним із найважливіших принципів тверднення вʼяжучих систем є відпо­відність у часі інтенсивності взаємодії і структуроутворення. Для кальцію оксиду харак­­терна асинхронність процесів, за яких гідратоутворення випереджає  струк­туро­утворення, що супроводжується значним розширенням системи та її руйну­ванням. Співпадіння цих процесів досягається при гідратаційному тверд­ненні, коли перекристалізація портландиту не супроводжується розширенням, яке зумовлене  тепловими чи об’ємними ефектами.

Аналіз закономірностей синтезу штучного каменю на основі гіпсових, магнезіальних та інших в’яжучих мономінерального складу, а також структуро­утворення моногідратних систем дозволяє висунути гіпотезу про доціль­ність вико­ристання фізико-хімічних способів регулювання гідратаційної активності СаО з метою отримання міцного портландитового каменю. Зменшення величини енергії розширення у в’яжучих композиціях з негашеним вапном  шляхом комплексного використання методів відведення тепла, добавок-сповільнювачів, зовнішнього обмеження розши­рення тверднучої системи та  поверхневого модифікування час­тинок СаО створює підстави для розроблення наукових основ одержання компо­зиційних в’яжучих систем з підвищеним вмістом негашеного вапна.

У другому розділі наведено теоретичне та експериментальне обгрунтування вибору вихідних матеріалів для одержання композиційних в’яжучих та їх харак­теристик, описано методи фізико-хімічного аналізу та основні методики фізико-механічних випробувань. Відповідно до мети та поставлених задач розроблено принципи вибору виду негашеного вапна залежно від призначення синтезованого в’яжучого, його властивостей та особливостей гідратаційних процесів.

З метою дослідження впливу параметрів випалу (температури, часу витри­мування, виду палива) на властивості синтезованих в’яжучих, мелене негашене вапно отримували із вапняку Щирецького родовища Львівської області, випаленого за температури 1150 та 1300 ^ºС. Для одержання напружувальних цементів вико­ристовували низько- та середньоактивне негашене вапно торгової марки Q90 Tragical виробництва Польщі. Хімічний аналіз показав, що при збільшенні температури випалу кількість СаСО₃, утвореного унаслідок взаємодії частинок вапна з СО₂ повітря при його  розмелюванні, зменшується. Це пов’язано зі збіль­шенням розмірів кристалів кальцію оксиду, який впливає на питому поверхню частинок та їх хімічну активність.

Для виготовлення розширних композицій використано портландцементи                 ПЦ І-500, ПЦ ІІ/А-Ш-400 та ПЦ ІІ/Б-Ш-400 ПАТ “Івано-Франківсьцемент” та ПАТ “Миколаївцемент” на основі алітових середньоалюмінатних клінкерів. Вапняно­вмісні гідравлічні в’яжучі отримували з використанням активних міне­ральних добавок-пуцолан: золи-винесення Бурштинської ТЕС, цеолітової та горілої порід і опоки. Фосфогіпс Роздільського ВО “Сірка” використовували  для регу­лювання швидкості гідратації вапна та синтезу ангідритового в’яжучого.

Високодисперсний гіпс двогідрат як регулятор гідратаційної активності СаО отримували шляхом безперервного перемішування суспензії  будівельного гіпсу  марки Г-5 при В/Г=2,0 до моменту кінця тужавіння.

Для регулювання процесів гідратації СаО (величини рН, розчинності Са(ОН)₂, швидкості тепловиділення) застосовували полісахариди, солі лужних та лужно­земельних  металів: натрію карбонат, натрію тетраборат,  натрію сульфат, натрію орто­силікат, кальцію сахарат, а також  борну, ортофосфорну, сульфатну кислоти.

Фізико-механічні випробування композиційних в’яжучих та виробів на їх основі проводили згідно з ДСТУ Б В.2.7-22-95, ДСТУ Б В.2.7-45-96,                                ДСТУ-П Б В.2.7-126:2006, ASTMC 110-98 та загальноприйнятих методик визна-чення зусилля розширення цементів та напружень у виробах на їх основі.

Визначення марки гіпсоангідритового в’яжучого проводили згідно ТУ У В.2.7-26.5-32115842-002-2003 із тіста стандартної консистенції (розплив циліндра Суттарда 120±5 мм). Тонину розмелювання і фракційний склад негашеного вапна та композиційних в’яжучих систем визначали методом розсіву на стандартних ситах та диференційного розподілу частинок за допомогою седиментаційного аналізу.

Хімічний склад вапна та компонентів в’яжучих визначали класичним хімічним аналізом та спектрометром ARL 9800 XP. Концентрацію катіонів Н⁺ у водних дисперсіях при гідратації  вапна з добав­ками визначали за допомогою  універ­сального іономіра, а концентрацію каті­онів Са²⁺ – за допомогою кальцій­селек­тивного електроду. Оптимізацію складів роз­роб­лених композиційних в’яжучих про­водили з використанням методів експе­риментально-статистичного моделювання.

У третьому розділі на основі аналізу закономірностей процесу гідратації кальцію оксиду представлено теоретичні передумови розроблення комплексного фізико-хімічного керування процесами структуроутворення в’яжучими системами, що вміщують негашене вапно, сформульовано наукові гіпотези дослідження.  

Під час гідратації СаО відбувається перебудова більш щільної кубічної гратки кальцію оксиду з утворенням шаруватої структури нижчої симетрії. Перебудова кристалічної гратки СаО до менш щільної у Са(ОН)₂ супроводжується зростанням молярного об’єму, що призводить до  розширення вапна у 2,0–2,5 рази.  Це супро­воджується виникненням напружень, руйнуванням зерен СаО та наступним ката­літичним прискоренням реакції. Важливим чинником, що впливає на гідратаційну активність вапна є стан поверхні частинок СаО, яка характеризується значеннями поверхневої енергії 1,31×10^-4 Дж/см². Утворені полікристали СаО представляють собою зерна, центральна час­тина яких є структурно упорядкованою, а у поверхневих шарах нако­пичується значна кількість відхилень від закономірного розташування частинок, внаслідок чого, поверхневі шари мають рихлу будову і низьку силу зв’язку з основною частиною кристалітів.

Розклад вапняку за температур 900–1000 ˚С проходить за топотактичним механізмом з утворенням нанокристалів СаО, які зберігають первинну структуру матриці. Негашене вапно, що складається із нанокристалів СаО  розмірами 5–10 нм і питомою поверхнею до 80 м²/г, характеризується пористістю 50–54 % внаслідок великої різниці молярних об’ємів між кальцитом і кальцію оксидом. Нанокристалічний характер кристалів та висока поверхнева енергія частинок кальцію оксиду є головними чинниками його підвищеної гідратаційної активності.