Шинкевич Олена Святославівна. Розвиток наукових основ отримання вапняно-кремнеземистих будівельних композитів неавтоклавного твердіння

Короткий опис

Шинкевич Олена Святославівна. Розвиток наукових основ отримання вапняно-кремнеземистих будівельних композитів неавтоклавного твердіння : Дис... д-ра наук: 05.23.05 2008

Шинкевич О.С. Розвиток наукових основ отримання вапняно-кремнеземистих будівельних композитів неавтоклавного твердіння. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук зі спеціальності 05.23.05 Будівельні матеріали та вироби. Одеська державна академія будівництва та архітектури, Одеса, 2008.
В дисертаційній роботі теоретично обґрунтована й практично підтверджена можливість реалізації комплексу технологічних рішень по використанню резервів будови мінеральних речовин у виробництві вапняно-кремнеземистих композитів неавтоклавного твердіння й стінових виробів на їхній основі. Розроблено модель кінетики процесів гідратації вапняно-кремнеземистого в'яжучого, активованого разом із дрібнозернистим заповнювачем, що всебічно описує процеси гідратації й містить сім рівнянь. Проаналізовано механізм і побудовані допоміжні математичні моделі кристалізації на зернах в'яжучого аморфної (трепел) і кристалічної (кварц) структури. Розроблено кінетичну модель процесів гідратації в часі, що дозволяє аналізувати зміну міцності в тривалі періоди часу. Розроблено оптимальні склади й режими твердіння, які забезпечують одержання вапняно-кремнеземистих композитів різного призначення з рівнем необхідних властивостей із застосуванням багатокритеріальної оптимізації. Впровадження цих виробів дозволить знизити витрати на виробництво на більш ніж 25% і на будівництво будинків більш ніж на 20%.

1. Розроблено наукові основи виробництва вапняно-кремнеземистих композитів неавтоклавного твердіння, теоретично обґрунтована й експериментально підтверджена можливість отримання умовно-ефективних виробів різних видів по ресурсо- і енергозберігаючій технології.
2. Експериментально-теоретичні дослідження показали, що об'єднання наступних способів активації високорухомої силікатобетонної суміші, включаючи дрібнозернистий заповнювач: механохімічної у водному середовищі змішувача-активатора, хімічної за рахунок введення мінеральної добавки, що містить аморфний кремнезем, хемоактивації за рахунок підвищених значень рН середовища і термоактивації за рахунок застосування негашеного меленого вапна, забезпечує перехід від автоклавної обробки до тепловологісної при Т=85С і отримання вапняно-кремнеземистих композитів, які відрізняються наявністю активних реліктів в'яжучої речовини, здатних гідратуватися тривалий час на стадії експлуатації.
3. Розроблено модель кінетики процесів гідратації вапняно-кремнеземистої в'яжучої речовини, активованого разом із дрібнозернистим заповнювачем. Модель всебічно описує процес гідратації, що представлений послідовним переходом елементарних процесів, описаних із застосуванням фундаментальних законів. Описано зміну водовмісту суміші внаслідок адсорбції вологи, змочування поверхні часток і зв'язування її в результаті хімічних реакцій. Диференціальні рівняння другого порядку, що входять у модель, описують швидкість зміни концентрації гідроксиду кальцію, кремнієвої кислоти і утворення гідросилікатів кальцію з урахуванням елементарних стадій: розчинення, кристалізації, адсорбції і кінетики хімічних реакцій. Вибрані і обґрунтовані основні параметри процесів гідратації, які визначають перехід від однієї стадії до іншої. У модель також входять рівняння зміни питомої поверхні кожного з компонентів в'яжучої речовини в процесі гідратації.
4. На підставі двох додаткових моделей механізму кристалізації ГСК у зерні трепелу й на активованій поверхні зерна кварцу показано, що утворення гідросилікатів кальцію може проходити по скрізь розчинному та топохімічному механізму. Ріст кристалів гідросилікатів кальцію відбувається по активній поверхні зерен трепелу усередину зерна в процесі гетерогенної реакції. У випадку гомогенної реакції центрами кристалізації є кристали гідроксиду кальцію, які утворюють епітаксіальний шар на активованій поверхні зерен кварцу. Ці моделі також дозволяють розрахувати час повної кристалізації гідросилікатів кальцію на аморфізованій у процесі активації поверхні кварцу і час повної кристалізації зерна трепелу, що пропорційно квадрату його радіуса та скорочується з підвищенням концентрації розчину гідроксиду кальцію і температури.
5. Розроблено кінетичну модель процесів гідратації в часі, яка дозволяє аналізувати зміну вмісту кристалічної фази в тривалі періоди часу. Для сформованої капілярно-пористої структури композиту підтверджено положення про те, що швидкість збільшення об’єму кристалічної фази пропорційна логарифму часу. Ця залежність є теоретичним підтвердженням логарифмічного росту міцності. Приріст міцності через 1 і 3 роки склав 68 і 85% на Sтр1=350, 89 і 110% на Sтр2=425, 180 і 210% на Sтр3=500м2/кг відповідно. Регулюючи кінетику процесів гідратації і структуроутворення, у структурі композитів створюється резерв інгредієнтів вапняно-кремнеземистої в'яжучої речовини для участі в реакціях гідратації в часі.
6. На основі аналізу впливу складів і режимів твердіння на модифікацію структури і властивості встановлено, що зміна міцності рівною мірою залежить від трьох груп факторів (режимів твердіння, різної питомої поверхні трепелу і вмісту добавки гіпсу), змінюючись під впливом кожної групи факторів більш ніж в 2 рази. На морозостійкість зміна величини питомої поверхні робить в 2.5 рази більший вплив ніж режими твердіння при оптимальному вмісті гіпсу, на теплопровідність в - в 1.6 рази більше впливає зміна величини питомої поверхні і в 2 рази більше режими твердіння, чим вміст добавки гіпсу Вплив складу, зокрема питомої поверхні мінеральної добавки, і режимів твердіння на різні властивості в кількісному вираженні неоднозначно. Оптимальні значення рівнів різних властивостей досягнуті за рахунок розходжень у складах, питомій поверхні та режимах твердіння і визначаються модифікацією структури.
7. Аналіз зміни зв'язків між характеристиками структури і властивостями в процесі структуроутворення з використанням методів комп'ютерного матеріалознавства дозволив описати ряд явищ, пов'язаних з модифікацією структури: внесок різних характеристик структури в процес формування властивостей змінюється в часі, спричиняючи зміну величини зв'язків між характеристиками структури і властивостями і просторово-часовий характер структуроутворення; кінетика процесів гідратації і структуроутворення може регулюватися питомою поверхнею мінеральної добавки, визначаючи індивідуальні рівні властивостей. Так, максимальні значення міцності при стиску забезпечуються оптимальним співвідношенням ГСК до кристалічної і частково закристалізованої форми. Мінімум теплопровідності забезпечений збереженням у твердій фазі аморфного кремнезему за рахунок незавершеності процесу гідратації. Максимальні значення по морозостійкості отримані в умовах повного розчинення аморфного кремнезему з наступною його кристалізацією.
8. Багатокритеріальна оптимізація за комплексами різних показників якості забезпечила отримання стінових виробів різного призначення. В результаті оптимізації розроблені склади і режими твердіння для одержання наступних видів стінових виробів: ефективних стінових блоків густиною =1200-1400кг/м3і коефіцієнтом теплопровідності <0.40 Вт/мК; умовно-ефективних стінових рядових блоків класів В5-В10 з морозостійкістю F15 і F25, коефіцієнтом теплопровідності =0.43-0.45 Вт/мК і густиною =1450-1500 кг/м3; стінових лицьових блоків класів В15 и В17.5 з морозостійкістю F35, коефіцієнтом теплопровідності =0.56-0.78 Вт/мК, густиною =1550-1600 кг/м3і коефіцієнтом водостійкості kp>0.9; стінових рядових умовно-ефективних блоків класів В12.5-В17.5 з морозостійкістю F15 і F25, коефіцієнтом теплопровідності =0.46-0.56 Вт/мК, густиною =1500-1660 кг/м3і коефіцієнтом водостійкості kp>0.9.
Результати оптимізації складів і режимів твердіння впроваджені на ВАТ "Силікат" і на підприємстві "Профбудкомплект" при випуску дослідно-промислових партій стінових блоків на основі вапняно-кремнеземистих композитів обсягом 170 і 300 м3відповідно. Техніко-економічний розрахунок показав, що перехід від автоклавної обробки виробів, отриманих методом пресування до тепловологісної обробки виробів, отриманих по литтєвій технології, скорочує витрати на виробництво більш ніж на 25%, а впровадження цих виробів дозволяє скоротити витрата тепла через огороджувальні конструкції на 30% або знизити витрати на будівництво будинків більш ніж на 20% при необхідному термічному опорі огороджувальних конструкцій. Результати впроваджені в навчальному процесі на кафедрі будівельних матеріалів ОДАБА.