НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ МОДИФИКАЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ МИНЕРАЛЬНЫМИ ДИСПЕРСНЫМИ СИСТЕМАМИ ТЕХНОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, викладена наукова новизна і практичне значення роботи, наведена інформація про структуру та обсяг дисертації, публікації і апробацію роботи.

Перший розділ присвячений аналітичному огляду фізико-хімічних аспектів модифікації будівельних матеріалів сполуками s-,p-,d-елементів, які містяться в мінеральних дисперсних системах техногенного походження.

Вказані сполучення базуються на елементах таблиці Д.І. Менделєєва і поєднані в такі блоки: s-елементи – Na, K, Ca, Mg; p-елементи – Al, Si;                    d-елементи – Fe, Mn, Ti, Co, Cr.

З точки зору будівельного матеріалознавства із сполук s-елементів найбільш цікаві СаО, MgO, Na₂O, K₂O. За послідовністю енергетичних рівнів їх можна розділити на 3s (Na, Mg) і  4 s  (K, Ca), відповідно їх енергії іонізації складають Na – 498 ев, Mg – 736 ев, K – 418 ев, Ca – 590 ев, електровід’ємність Na – 0,93 ев, K – 0,82 ев, Ca – 1,00 ев, Mg – 1,33 ев, катіони у порядку зменшення заміщувальної здатності розташовані   у такому порядку: Mg – Ca – К – Na.

Оксиди СаО і MgO входять до групи карбонатних і сульфатних порід земної кори, які використовуються для одержання в’яжучих. Практично більшість мінералів в’яжучих утворюється на базі оксидів СаО і MgO. Характерним є те, що температура фазових перетворень знаходиться у межах 673 – 1673 К.

Елементи К і Na утворюють сполуки, які впливають на температуру плавлення жаростійких матеріалів та процеси гідратації мінеральних в’яжучих.

Проведений огляд науково-технічної літератури дозволяє дійти висновку, що при використанні природної сировини технологія повинна передбачати попередні процеси, які відбуваються у сировинних матеріалах, такі, наприклад, як видалення хімічно зв’язаної води, декарбонізація. Використання мінеральних дисперсних систем техногенного походження у вигляді шламів, шлаків дозволяє прискорити технологічний процес, зменшити витрати сировинних матеріалів для одержання кондиційної продукції.

Важливими для будівельних матеріалів із сполук p-елементів є Al₂O₃ і SiO₂. Такі оксиди є основними складовими портландцементного клінкеру і багатьох керамічних матеріалів. Ці сполуки є характерними і для ряду мінеральних дисперсних систем техногенного походження. Цікавими з точки зору фізичної хімії є сполуки d-елементів. До них відносяться сполуки заліза, марганцю, титану, цирконію, гафнію та ін.

Так, d-елемент (Fe) і p-елемент (Al) у клінкерному розплаві, завдяки амфотерності і залежно від умов, існує у вигляді комплексів з четвертною [MeO₄]^5- або шістковою [MeO₆]^6- координацією. У четвертній координації вони виявляють кислотні, а в шістковій – основні властивості.

Сполуки d-елементів – відновлювачі. Cr₂O₃, Mn₂O₃, TiO₂, Fe₂O₃                                        є мінералізаторами і прискорюють твердофазові реакції. Вони сприяють формуванню регламентованої структури випалюваних матеріалів. 

Застосування сполук d-елементів, зокрема сполук на основі марганцю як модифікатора, дозволяє значно покращити якість жаростійких матеріалів.

Вказані сполуки s-,p-,d-елементів містяться у різних мінеральних дисперсних системах техногенного походження, наприклад, s-,p-,d-елементи – у червоних шламах глиноземного виробництва, p-елементи – в електрокорундовому шламі, сполуки d-елементів – у шлаках металічного марганцю і відходах збагачення ільменітової руди.

Аналіз застосування вторинних продуктів свідчить на фрагментальне їх використання в технології виробництва будівельних матеріалів. Обмежене використання сполук даних елементів пояснюється відсутністю науково обґрунтованих методик, які пов’язані з вибором виду сполук, кількісним співвідношенням, режимами технологічних процесів при виробництві багатотоннажних продуктів будівельної індустрії. Створення основ науково-обгрунтованого впровадження модифікації будівельних матеріалів за рахунок використання мінеральних дисперсних систем техногенного походження, які містять сполуки s-,p-,d-елементів періодичної системи Д.І. Менделєєва, дозволить розширити сировинну базу при підвищенні якості матеріалів. Водночас це сприятиме вирішенню соціально-економічних проблем утилізації вторинних продуктів промисловості і оздоровлення навколишнього середовища.

Слід відмітити, що при розробці основних положень про модифікацію будівельних матеріалів використані праці:

-       П.П. Будникова, в яких викладені результати модифікації жаростійких матеріалів, вплив модифікації поверхні скляних волокон на підвищення їх стійкості в цементному камені та ін.;

-       В.Д. Глухівського та провідних вчених КНУБА П.В. Кривенка,                 Р.Ф. Рунової, К.К. Пушкарьової, праці яких присвячені розробці та модифікації мінеральних в’яжучих та бетонів;

-       О.П. Мчедлова-Петросяна, О.В. Ушерова-Маршака, які займались термохімією модифікованих в’яжучих, та розробкою добавок-модифікаторів;

-       П.О. Ребіндера, Г.Д. Діброва, М.М. Кругліцького, дослідження яких присвячені впливу модифікації дисперсних систем на реологічні характеристики;

-       В.А. Вознесенського, С.В. Коваля, роботи котрих направлені на підвищення будівельно-технологічних характеристик будівельних матеріалів за рахунок уведення добавок-модифікаторів;

-       В.М. Вирового, роботи якого присвячені технологічним питанням розробки композиційних матеріалів;

-       М.А. Саницького та інших, в працях яких представлені результати досліджень впливу модифікаторів на властивості в’яжучих та бетонів.

В роботі використані результати досліджень закордонних вчених А.Г. Еванса, Х. Тейлора, Р.В. Лоуренса, Т.Т. Ленгдона та інших.

Проведений аналіз показав, що для успішного вирішення задач, пов’язаних з підвищенням якості будівельних матеріалів з одночасним зниженням використання природної сировини, необхідною умовою є модифікація структури, де модифікаторами можуть бути хімічно активні сполуки s-,p-,d-елементів. Це дозволило сформулювати наукову гіпотезу, яка ґрунтується на тому, що управління структурою і властивостями будівельних матеріалів, а також зниження енергетичних витрат на їх виробництво можливе за рахунок модифікації основними сполуками s-,p-,d-елементів мінеральних дисперсних систем техногенного походження, регулюванням їх виду та кількості.

На основі запропонованої гіпотези сформульовані мета і задачі досліджень.

У другому розділі розроблена блок-схема (рис. 1) і методи наукових досліджень.

Методи досліджень впливу сполук s-,p-,d-елементів мінеральних дисперсних систем техногенного походження на процеси структуроутворення будівельних матеріалів та їх властивості визначались залежно від поставлених задач.

При дослідженні впливу сполук s-,p-,d-елементів на властивості жаростійких бетонів застосовували методи диференційно-термічного, рентгено-фазового, електронно-мікроскопічного аналізів. Визначення термостійкості проводили за допомогою розробленого методу «нагрівання – охолодження» у потоці повітря.

Фізико-хімічні визначення фазового складу клінкеру, продуктів гідратації модифікованих в’яжучих речовин проводили за допомогою ДРОН-2                            і дериватографа системи Паулік і Ердей, за допомогою приладу БІТ-021А визначали теплопровідність.

Визначення міцнісних показників, водостійкості, морозостійкості, сульфатостійкості проводилось згідно з діючими нормативними документами.

Проведення досліджень з модифікації будівельних матеріалів мінеральними дисперсними системами техногенного походження, які містять в своєму складі сполуки s-,p-,d-елементів, проводилися на основі легких і важких бетонів з використанням портландцементу і шлакопортландцементу, сульфатостійкого цементу (ДСТУ Б В 2.7-46-96). У дослідах використовувалось вапно             (ДСТУ Б В.2.7-90-99). Як модифікатор, у складі якого є сполуки s-,p-,d-елементів, використовувався електрокорундовий шлам, вторинний продукт ЗАЛК             (ТУ–48-2853-310-85, ДСТУ Б В.2.7-39-95), вторинні продукти ВГМК – відходи збагачення ільменітової руди (ТУ У 14-10-00-5-98), піритні огарки, шлами.