68253

Будівельні облицювальні вироби на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння

Автореферат

Архитектура, проектирование и строительство

Єдність природного походження вапна і карбонатної вторинної сировини обумовлює однорідність структури і високу міцність композицій на їхній основі. На сьогоднішній день відсутні системні дослідження формування структури карбонізованих будівельних матеріалів на основі...

Украинкский

2014-09-20

7.63 MB

1 чел.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ПРИРОДООХОРОННОГО

ТА КУРОРТНОГО БУДІВНИЦТВА

Бахтін Олександр Сергійович

УДК 666.924.14:666.946.2

Будівельні облицювальні вироби на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння

05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Сімферополь – 2011


Дисертація є рукописом.

Роботу виконано на кафедрі технологій будівельних конструкцій і будівельних матеріалів Національної академії природоохоронного та курортного будівництва (НАПКБ) Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент Любомирський Микола Володимирович, Національна академія природоохоронного та курортного будівництва, м. Сімферополь, проректор з наукової роботи і інноваційної діяльності, доцент кафедри технології будівельних конструкцій та будівельних матеріалів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Шинкевич Олена Святославівна, Одеська державна академія будівництва та архітектури, м. Одеса, завідувач кафедри процесів та апаратів в технології будівельних матеріалів;

доктор технічних наук, професор Приходько Анатолій Петрович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, м. Дніпропетровськ, проректор з науково-педагогічної та учбово-виховної роботи, завідувач кафедри технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій.

Захист відбудеться «15» грудня 2011 року об 100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 52.079.01 Національної академії природоохоронного та курортного будівництва (Україна, 95006, м. Сімферополь, вул. Павленка, 3, 2 навчальний корпус, зала засідань).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної академії природоохоронного та курортного будівництва (Україна, 95006, м. Сімферополь, вул. Павленка, 3, 2 навчальний корпус).

Автореферат розісланий «14» листопада 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент    М.П. Лук’янченко


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Пріоритетним напрямком інноваційної діяльності в Україні є програма використання промислових відходів як вторинної сировини. Основними задачами програми є впровадження ефективних проектів утилізації різних відходів і організація науково-дослідних і конструкторських робіт з розробки економічних біопозитивних матеріалів і ресурсосберегаючих технологій їхнього виробництва. У значній мірі вирішити ці задачі можливо за рахунок оптимізації існуючих технологій і процесів структуроутворення матеріалів, або розробки нових нетрадиційних напрямків одержання безцементних будівельних композитів. До таких композитів можна віднести будівельні матеріали і вироби на основі вапна і вторинної карбонатної сировини. Вапно в порівнянні з цементами є екологічно чистим і енергоощадливим в'яжучим, здатним набувати міцність і водостійкість за рахунок хімічної реакції з вуглекислим газом. Однак, через низьку концентрацію СО2 в атмосфері, процес карбонізації в природних умовах може розтягнутися на десятиліття. Єдність природного походження вапна і карбонатної вторинної сировини обумовлює однорідність структури і високу міцність композицій на їхній основі. Реалізація прискореної карбонізації вапняно-вапнякових композицій дозволить одержувати якісні і дешеві будівельні вироби, у тому числі облицювальні, а використання вторинної сировини  дрібних відходів каменепилення і дроблення вапняків і газів випалювальних печей, як джерело СО2,  дозволить вирішити екологічні проблеми, і зокрема посприяє скороченню викидів вуглекислого газу в атмосферу відповідно до Кіотського протоколу, ратифікованого Верховною Радою України. 

На сьогоднішній день відсутні системні дослідження формування структури карбонізованих будівельних матеріалів на основі вапняно-вапнякових композицій при різній концентрації СО2. Тому дослідження закономірностей формування структури і властивостей вапняно-вапнякових композицій різного складу, що твердіють у середовищі СО2 з різною концентрацією і інших технологічних факторів що змінюються, а також одержання на їхній основі виробів для зовнішнього облицювання будинків є своєчасними й актуальними.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконані на кафедрі технології будівельних конструкцій і будівельних матеріалів НАПКБ в 2007  2011 рр. з напрямку концепції національної екологічної політики в Україні на період до 2020 року (Розпорядження Кабінету Міністрів України № 880-Р от 17.10.2007 р.), а також відповідно держбюджетних науково-дослідницьких тем по замовленню Міністерства освіти і науки України: «Вапняні будівельні матеріали контактно-конденсаційно-карбонізаційного твердіння з використанням механоактивованої карбонатної сировини» (2007  2008 рр., № 0107U000775); «Фізико-хімічні та теоретичні основи структуроутворення будівельних композитів на основі вапна карбонізаційного твердіння» (початок теми в 2009 р., № 0109U003042).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – теоретичне обґрунтування й експериментальне підтвердження можливості одержання облицювальних будівельних виробів на основі вапна і карбонатної вторинної сировини шляхом встановлення закономірностей структуроутворення і формування властивостей вапняно-вапнякових композицій, що твердіють у середовищі підвищеної концентрації вуглекислого газу.

У рамках вибраного напряму сформульовано такі задачі досліджень:

  •  дослідити вплив якості вапна на властивості карбонізованих матеріалів на його основі;
  •  встановити закономірності впливу концентрації вуглекислого газу на хімічний склад і фізико-механічні властивості карбонізованого матеріалу і зробити оптимізацію технологічних умов карбонізаційного твердіння гашеного вапна;
  •  вивчити вплив виду вапнякового наповнювача на фазовий склад і фізико-механічні властивості вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного типу твердіння;
  •  визначити оптимальні умови одержання штучного каменю на основі вапняно-вапнякових композицій і одержати рівняння регресії, що відображають закономірності спільного впливу основних технологічних параметрів на фізико-механічні властивості виробів;
  •  вивчити вплив різних видів мінеральних і хімічних добавок на зміну основних технічних властивостей матеріалу на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного типу твердіння;
  •  розробити технологічну схему виробництва облицювальних виробів на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння;
  •  виконати дослідно-виробничу апробацію і впровадження результатів досліджень, економічне обґрунтування доцільності виробництва штучно карбонізованих облицювальних виробів на основі вапняно-вапнякових композицій.

Об’єкт досліджень – карбонізовані матеріали на основі вапняно-вапнякових композицій.

Предмет досліджень – закономірності процесів формування фазового складу, структури і властивостей вапняно-вапнякових композицій та виробів на їхній основі карбонізаційного твердіння.

Методи досліджень. Експериментальні дослідження виконані за допомогою стандартних і спеціальних методів. Використані наступні методи фізико-хімічного аналізу: диференціальний термогравіметричний (Q – 1500D), рентгенофазовий (ДРОН – 2,0), скануюча електронна мікроскопія (РЕМ-106, SELMI). Дослідження швидкості процесу карбонізації гашеного вапна і композицій на його основі здійснювали за допомогою спеціально розробленої автоматичної установки. Для визначення міцності, середньої густини, водопоглинання, водостійкості, морозостійкості дослідних зразків і виробів використані стандартні методи фізико-механічних випробувань. Оптимізацію складів матеріалів карбонізаційного твердіння на основі вапна і технологічних чинників їх отримання проведено з використанням методів математичної статистики і планування експериментів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у такому:

  •  встановлені закономірності впливу підвищеної концентрації вуглекислого газу на карбонізацію вапна і на фізико-механічні властивості вапняного каменю карбонізаційного твердіння;
  •  вивчено процеси структуроутворення у вапняно-вапнякових композиціях и доведено, що в процесі карбонізації морфологія кристалів вторинного карбонату кальцію, що утворився, подібна з морфологією кристалів вапнякового наповнювача, при цьому в системі утворюються міцні контакти зрощення між кристалами новоутвореного СаСО3 та вапнякового наповнювача, що призводять до високих показників міцності на стиск одержаного матеріалу;
  •  виявлені закономірності одночасного впливу основних технологічних параметрів – питомого тиску пресування, початкового вмісту води у сировинній суміші, кількості і питомої поверхні вапнякового наповнювача на фізико-механічні властивості карбонізованого матеріалу на основі вапняно-вапнякових композицій і визначені оптимальні технологічні умови його одержання з необхідними експлуатаційними характеристиками.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці і дослідно-промисловій апробації:

- складів і способів карбонізації матеріалів на основі вапна і карбонатного наповнювача (патенти України на корисну модель №№ 28051, 42074, 42075; патенти України на винахід №№ 90407, 90408) – дослідно-промислове упровадження у виробничих умовах ПП «Агрегат», м. Ялта, АРК;

- «Технологічного регламенту виробництва лицьової цегли на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння з використанням вторинної вапнякової сировини» – упроваджено приватним підприємством «Агрегат», м. Ялта, АРК.

Визначена техніко-економічна ефективність розроблених складів при виготовленні облицювальної цегли. Очікуваний економічний ефект від зниження енергетичних витрат і витрат на сировину в порівнянні з виробництвом силікатної цегли при потужності лінії 16 млн. шт. лицьової карбонізованої цегли на рік складе 6 019 200 грн.

Особистий внесок здобувача полягає у:

  •  теоретичному обґрунтуванні процесу карбонізації вапна, розробці основних наукових і практичних задач одержання будівельних матеріалів на основі вапна карбонізаційного твердіння [1, 3, 5];
  •  розробці приладової і методологічної бази вивчення процесу карбонізації гашеного вапна [2, 4], виготовленні і карбонізації дослідних зразків на основі гашеного вапна;
  •  вивченні впливу якості вапна і концентрації вуглекислого газу на фізико-механічні властивості штучно карбонізованого каменю [14];
  •  проведенні експериментів і обробці отриманих результатів дослідження формування структури [7, 11,] і фізико-механічних властивостей дослідних зразків на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного типу твердіння в залежності від технологічних факторів карбонізації [6, 9];
  •  оптимізації технологічних параметрів одержання карбонізованого матеріалу необхідних властивостей [8, 10];
  •  розробці технологічних основ виробництва будівельних матеріалів на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння [12, 13, 15].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи і матеріали досліджень освітлювалися і обговорювалися на третій міжнародній науково-технічній конференції «Розвиток наукових досліджень ‘2007», (Полтава, 2007), 47-у міжнародному семінарі по моделюванню і оптимізації композитів  МОК ’47 (Одеса, 2008), третій всеукраїнській науково-технічній конференції «Сучасні технології бетону» (Київ, 2009), III міжнародній науково-практичній конференції «ЕНЕРГІЯ – 2009» (Алушта, 2009), VII міжнародній науково-практичній конференції «Інноваційні технології життєвого циклу об’єктів житлово-цивільного, промислового і транспортного призначення» (Ялта, 2009), III міжнародній науково-технічній конференції «Математичні моделі процесів у будівництві» (Луганськ, 2010), VII науково-технічній конференції «Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди» (Рівне, 2011), науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу НАПКБ (Сімферополь, 2007, 2008, 2009, 2010) і наукових семінарах кафедри ТБК і БМ НАПКБ.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 20 наукових робіт, у тому числі 9 статей в спеціалізованих фахових наукових виданнях, 3 статті в збірках наукових конференцій, 3 статті в міжнародних наукових збірках, отримано 5 патентів України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, пяти розділів, висновків, списку використаних джерел із 193 найменувань на 21 сторінці і 3 додатків на 19 сторінках. Робота викладена на 179 сторінках основного тексту, серед них 49 рисунків на 42 сторінках та 30 таблиць на 29 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, приведено відомості про публікації та апробації роботи.

В першому розділі викладено стан досліджень в області виробництва облицювальних виробів на основі вапна карбонізаційного твердіння з використанням вторинної карбонатної сировини.

Проаналізовані роботи вітчизняних і зарубіжних авторів, що присвячені дослідженню формування структури і властивостей вапняних матеріалів в процесі їх штучної карбонізації, а також тенденції ресурсо- і енергозбереження в сучасній будівельній галузі.

Уявлення про формування структури і властивостей вапняного тіста в середовищі вуглекислого газу пов’язані з роботами А.А. Байкова, К.С. Зацепіна, И.Н. Зав’ялова, З.Л. Борисової, Н. Зальманова, Ю.М. Бутта, П.П. Буднікова, Н.Н. Михайлова, Н.Н. Петіна, М.И. Хігеровича, И.Д. Мухортова, А.Ю. Камінскаса, Л.М. Розенфельда, К.П. Архангельського, О. Cizer, А. Antemir, J.PBroywer й інших вчених.

Огляд літературних джерел, присвячених вивченню процесу штучної карбонізації систем на основі гашеного вапна, показав, що інтенсивність процесу карбонізації вапна і кінцевих властивостей одержуваного матеріалу залежать від безлічі технологічних факторів: початкового водовмісту сировинної суміші, концентрації газу СО2, початкової пористості матеріалу, якості вапна, температури навколишнього середовища і часу карбонізації.

Аналіз результатів досліджень свідчить, що фізико-механічні характеристики одержуваного карбонізованого матеріалу будуть визначатися ступенем карбонізації, тобто кількістю карбонату кальцію, що утворився в результаті хімічної реакції, а також морфологією його кристалів. Створюючи визначені оптимальні умови карбонізації можливо, домогтися максимального ступеня карбонізації композицій на основі вапна й одержати матеріал, що володіє досить високою механічною міцністю і водостійкістю.

Однак, раніше проведені дослідження не встановлюють чітких технологічних умов одержання будівельних облицювальних виробів на основі вапна карбонізаційного типу твердіння. При цьому, також, відсутня цілісна система поглядів на механізм структуроутворення і твердіння композицій на основі вапна карбонізаційного твердіння.

Важливо також і те, що відповідно до позицій розвитку сучасного будівництва, необхідною умовою створюваних технологій стає ресурсо- і енергозбереження, тобто, утилізація різних відходів промисловості, зокрема вуглекислого газу і дрібних відходів каменепилення та дроблення карбонатних порід, як сировинних компонентів у виробництві облицювальних виробів, здобуває істотне практичне значення.

На підставі вищесказаного, використовуючи значний обсяг експериментальних і теоретичних досліджень по одержанню карбонізованих будівельних матеріалів, розроблена наступна робоча гіпотеза дослідження. Зміна структури і властивостей композитів на основі вапна, що твердіють у середовищі підвищеної концентрації вуглекислого газу, дозволяє припустити, що можливо одержання якісних стінових облицювальних виробів на основі вапна і карбонатної вторинної сировини за рахунок інтенсифікації процесу твердіння вапняно-вапнякових композицій шляхом створення необхідних технологічних умов для їхньої штучної карбонізації.

У другому розділі приведено характеристику використаних матеріалів та описуються методи досліджень.

У якості в’яжучого прийняте негашене кальцієве вапно ПП «Будкомплект», м. Сімферополь. Вапно характеризувалося наступними властивостями: активність – 68 %; час гасіння – 120 с; температура гасіння – 370 К. У якості наповнювача вапняних композицій використовувалися найбільш розповсюджені для кримського регіону дрібні вапнякові відходи крупністю до 5 мм які утворюються при каменепиленні вапняків-черепашників і нумулітових вапняків, та дробленні і фракціонуванні мармуроподібних вапняків.

Дані вапнякові відходи характеризуються вмістом СаСО3 + MgCO3 85,8 – 87,8 % у залежності від виду вапнякового наповнювача.

Дослідження процесу карбонізації гашеного вапна і властивостей штучно карбонізованого вапняного каменю проводили на зразках-циліндрах діаметром 30 мм. Для дослідження властивостей вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння використовували зразки-циліндри діаметром 30 і 50 мм. Дослідні зразки виготовляли методом контактного формування в металевих прес-формах при питомому тиску пресування, Рпит., від 5 до 35 МПа, початковий водовміст сировинної суміші знаходився в межах 5 – 30 % мас.

Дослідження фізико-механічних властивостей сировини, дослідних зразків і будівельних виробів виконали по стандартним методикам дійсних ДСТУ і ГОСТів. Хімічний склад сировини, структури, фізико-хімічних властивостей сировини, дослідних карбонізованих зразків і некарбонізованих зразків, вапняних композицій карбонізаційного твердіння досліджували за допомогою деріватографічного (деріватограф Q – 1500D), рентгенофазового (дифрактометр ДРОН – 2,0) методів і електронної мікроскопії (мікроскоп  РЕМ – 106, SELMI).

Карбонізацію зразків здійснювали в спеціально розробленій установці з автоматичним управлінням. За допомогою спеціальної методики вивчення кінетики карбонізації гашеного вапна виконували кількісну оцінку процесу карбонізації і часу обробки вуглекислим газом зразків на основі вапна.

Обробка експериментальних даних проводилася за допомогою статистичних методів математичного планування експерименту.

У третьому розділі представлено результати експериментальних досліджень процесу природної карбонізації вапняних зразків, а також штучної карбонізації вапна в залежності від впливу основних технологічних факторів (концентрація газу СО2, якість вапна, час карбонізації) на формування структури і властивостей вапняних зразків у процесі їхньої штучної карбонізації в середовищі підвищеної концентрації вуглекислого газу.

Дослідження карбонізації дослідних зразків на основі гашеного вапна, одержаних при питомому тиску пресування 20 МПа і початковому вмісту води у суміші 10 % мас., що зберігалися у природних повітряно-сухих умовах протягом 18 міс., показали, що процес карбонізації носить ритмічний характер (рис. 1).

Рис. 1. Оброблений індикатором фенолфталеїну перетин дослідних зразків на основі гашеного вапна, витриманих протягом 18 міс. у повітряно-сухих умовах.

Явище утворення ритмічної структури в процесі природної карбонізації систем на основі вапна можна пояснити поступовим підсушенням матеріалу за рахунок температурних змін навколишнього середовища. Зовнішні шари позбавляються води, що необхідна для проходження реакції карбонізації, і вапно яке не вступило в реакцію, залишається у своєму первісному стані у вигляді концентричних кілець (див. рис. 1), а зона з достатньою кількістю води зміщується до центру зразка, де утворюються концентричні кола карбонату кальцію. Товщина карбонізованого шару для представлених зразків склала 12 – 14 мм. Класична схема руйнування зразків при іспиті на стиск свідчить про наявність контактів зрощення між карбонізованим і не карбонізованим шарами. Не спостерігається розриву матеріалу по зоні контакту між двома шарами. Фізико-механічні характеристики зразків-циліндрів після формування і після зберігання протягом 18 міс. наступні: міцність при стиску збільшилась у 2,2 рази з 5,7 до 12,3 МПа, середня густина підвищилася з 1,13 до 1,22 г/см3, водопоглинення знизилось у 1,8 рази з 53,7 до 30,2 % мас., а водостійкість збільшилася в 4,5 рази однак залишилась низькою – Кр = 0,5.

Штучну карбонізацію дослідних зразків на основі гашеного вапна проводили при концентрації СО2 у межах 10 – 90 %. Міцність на стиск зразків після формування й сушки складала 1,5 – 1,9 МПа в залежності від водовмісту суміші, водостійкість 0,1.

Залежності зміни міцності при стиску, Rст., водопоглинення, Wm і водостійкості, Кр дослідних зразків від концентрації вуглекислого газу в камері карбонізації показані на рис. 2 і табл. 1. Як видно з рис. 2, зі збільшенням концентрації вуглекислого газу до 50 % міцність на стиск зразків, отриманих із суміші, що містить 15 і 25 % мас. води, збільшується. Кут нахилу кривих до осі абсцис у діапазоні концентрацій СО2 50 – 70 % свідчить про припинення набору міцності і деякому її зниженні. Збільшення концентрації СО2 понад 70 % призводить до помітного зниження показника міцності. Збільшення міцності зразків, отриманих при вмісті води у суміші 5 % спостерігається при збільшенні концентрації вуглекислого газу до 50 % і далі значення даного показника практично не змінюються.

Падіння міцності карбонізованих зразків при збільшенні концентрації СО2 понад 60 % пояснюється агресивним впливом надлишкового СО2.

Рис. 2. Залежність міцності на стиск карбонізованих вапняних зразків (час карбонізації 18000 с) від концентрації СО2 і початкового водовмісту сировинної суміші, % мас.:

1 – 5; 2 – 15; 3 – 25.

В міру утворення СаСО3 концентрація Са(ОН)2 у матеріалі знижується і створюються умови для утворення надлишку розчиненого вуглекислого газу. Необхідною умовою при цьому є наявність води в порах матеріалу. При надлишку вугільної кислоти в порах матеріалу знижується активність іонів водню рН, що сприяє розчиненню утвореного карбонату кальцію.

З даних табл. 1 видно, що при концентраціях СО2 у камері карбонізації до 50 % зі збільшенням значення міцності на стиск підвищується і показник водостійкості дослідних зразків, а також знижується їх водопоглинення.

Таблиця 1

Фізико-механічні характеристики карбонізованих протягом 18000 с зразків після сушки в залежності від концентрації СО2 і початкового водовмісту суміші

Концентрація СО2, %

Початковий вміст води у суміші, %

5

15

25

Rст., МПа

Wm, %

Кр

Rст., МПа

Wm, %

Кр

Rст., МПа

Wm, %

Кр

10

3,3

49,4

0,88

8,0

41,4

0,76

9,2

41,1

0,4

30

5,2

48,1

0,9

9,9

40,1

0,87

11,1

39,8

0,59

50

6,1

47,6

0,9

10,9

39,6

0,92

12,1

39,3

0,73

70

6,2

47,6

0,88

10,9

40,1

0,92

12,1

39,8

0,82

90

6,1

48,1

0,85

10,0

41,4

0,86

11,2

41,1

0,77

Зі збільшенням концентрації СО2 понад 50 % Wm збільшується, а Кр знижується. При цьому даний ефект найбільш виражений для зразків, отриманих при початковому вмісту води у суміші 15 і 25 % мас. Це викликано розчиненням та корозією більш дрібних кристалів новоутворенного СаСО3, з утворенням гідрокарбонату кальцію Са(НСО3)2.

Утворення гідрокарбонату кальцію супроводжується відкриттям капілярів і розчинений Са(НСО3)2, проникаючи всередину матеріалу вступає в хімічну реакцію з гідроксидом кальцію з утворенням СаСО3. У результаті карбонат кальцію осаджується в новій зоні. Дане явище підтверджується мікроскопічними дослідженнями зовнішнього шару карбонізованих зразків товщиною до 5 мм і центру (рис. 3). Кристали карбонату кальцію, що утворилися в початковій стадії хімічної реакції зростаються між собою, утворюючи єдиний кристалічний зросток. Площа контактів між цими кристалами збільшується і відбувається зміцнення матеріалу.

 а)       б)    

Рис. 3. Мікроструктура матеріалу зовнішнього (а) та центру (б) карбонізованих зразків у середовищі з концентрацєю 50 % СО2 протягом 18000 с, ×5000.

Згідно рис. 3 зовнішній шар представлений ромбоедричними кристалами кальциту розміром 2 – 4 мкм і скаленоедрами розміром 1 – 3 мкм. При цьому помітно, що переважають ромбоедричні кристали кальциту, між якими розташовані скаленоедри меншого розміру. В міру наближення до центру зразка (б) у матеріалі починають переважати скаленоедричні кристали кальциту розміром 1 – 2 мкм.

Дослідження кількісної зміни вмісту СаСО3 у карбонізованих зразках у залежності від концентрації СО2 і початкового вмісту води у суміші показали наступні результати (табл. 2).

Таблиця 2

Концентрація

СО2, %

Початковий вміст води у суміші, %

5

15

25

до 5 мм

центр

до 5 мм

центр

до 5 мм

центр

50

48,0

55,6

74,5

77,4

78,2

76,2

90

47,7

54,7

69,1

70,9

73,1

71,2

Вапняні зразки, отримані при Рпит. = 7,5 МПа і карбонізовані протягом 18000 с на 48 – 78,2 % складаються з карбонату кальцію. При цьому в залежності від початкового вмісту води у суміші кількість СаСО3 у зразках у зовнішньому шарі товщиною до 5 мм і в центрі не однакова. Так при вологості суміші 5 % мас. кількість СаСО3 у зовнішньому шарі зразків складає 48,0 %, а в центрі – 55,6 %. Це пояснюється поступовим висиханням зразків у результаті виділення тепла при хімічній реакції карбонізації. У результаті в центрі більш тривалий час зберігається волога необхідна для проходження реакції карбонізації, що підтверджується великою кількістю карбонату кальцію. При збільшенні водовмісту суміші до 15 і 25 % мас., зростає кількість карбонату кальцію, а також зменшується різниця його вмісту в різних зонах зразка.

Після проведення оптимізації технологічних параметрів одержання штучного каменю на основі вапна карбонізаційного твердіння були отримані рівняння регресії досліджуваних параметрів, що дозволили встановити оптимальні умови одержання штучного каменю на основі вапна карбонізаційного твердіння міцністю на стиск не менше 10 МПа та водостійкістю більше 0,8: питомий тиск пресування 7,5 МПа, початковий вміст води у суміші 10 – 20 % мас., час карбонізації 10800 – 18000 с.

Визначено, що оптимальна концентрація СО2 у середовищі твердіння виробів на основі гашеного вапна знаходиться в межах 25 – 40 %.

У четвертому розділі представлені результати досліджень вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння з використанням вторинної карбонатної сировини й одержання на їхній основі облицювальних виробів.

При оптимізації технологічних чинників отримання штучного каменю на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння були одержані рівняння регресії досліджуваних параметрів дослідних зразків карбонізаційного твердіння:

міцність (Rст), МПа:

Y1 = 18,8 – 1,15Х1 + 2,4Х2 – 0,6Х3 – 0,84Х4 – 2,52Х12 – 1,64Х22 + 0,24Х32 – 2,24Х42 – 1,54Х1Х2 + 0,98Х3Х4;

(1)

- середня густина, г/см3:

Y2 = 1,55 – 0,02Х1 + 0,06Х2 – 0,02Х3 + 0,08Х4 – 0,02Х12 – 0,015Х22 + 0,005Х32 – 0,005Х42 – 0,01Х1Х4.

(2)

- водостійкість (Кр):

Y3 = 0,64 – 0,03Х1 – 0,014Х2 + 0,02Х3 – 0,06Х4 – 0,02Х12 + 0,028Х22 + 0,009Х32 + 0,002Х42 – 0,028Х1Х2 + 0,024Х2Х3 + 0,03Х2Х4 – 0,06Z3Z4.

(3)

- водопоглинення по масі (Wm), %:

Y4 = 24,16 + 0,45Х1 – 2,57Х2 + 0,83Х3 – 3,49Х4 + 0,84Х12 + 0,73Х22 – 0,23Х32 + 0,35Х42 + 0,52Х1Х4.

(4)

- водопоглинення по об’єму (Wo), %:

Y5 = 37,4 – 2,35Х2 + 0,76Х3 – 3,23Х4 + 0,76Х12 + 0,59Х22 – 0,16Х32 + 0,14Х42 + 0,47Х1Х4.

(5)

Графічна обробка отриманих даних у редакторі AutoCad дозволила одержати тривимірні поверхні відгуку оптимальних значень параметрів для одержання карбонізованого матеріалу міцністю на стиск 15 – 20 МПа і Кр більше 0,8 (рис. 4).

а)

      

б)

  

Рис. 4. Тривимірна поверхня відгуку і її перетини оптимальних значень параметрів для одержання карбонізованого матеріалу міцністю на стиск 15 – 20 МПа та Кр больше 0,8 в залежності від початкового вмісту води у суміші і питомого тиску пресування: а) водовміст  15 %; б) Рпит. = 25 МПа.

При початковому водовмісті сировинної суміші 15 %, оптимальна кількість карбонатного наповнювача в суміші  30 %, питома поверхня наповнювача – 3500 см2/г, питомий тиск пресування сировинної суміші – 12 МПа. При пресуванні із зусиллям 25 МПа оптимальний вміст вапнякового наповнювача знаходиться в інтервалі 45  68 %, питома поверхня якого складає 2700  4500 см2/г.

Мікроструктура карбонізованої матриці представлена рівномірно розподіленими ромбоедричними кристалами кальциту розміром 1 – 4 мкм. Спостерігаються групи щільно зрослих між собою кристалів кальциту, з розміром у поперечному перерізі 5 – 7 мкм (рис. 5). У локальних зонах карбонізованого матеріалу дослідних зразків спостерігаються великі кристали кальциту розміром 1 – 4 мкм, зв'язані між собою масою речовини з численними центрами кристалізації субмікроскопічної величини (див. рис. 5, б).

а)        б)

Рис5. Мікроструктура дослідних карбонізованих зразків, виготовлених із сировинної суміші на основі наповнювача з мармуроподібного вапняку складу 1 : 4, × – 3000.

а)        б)

Рис6. Мікроструктура зони контакту зерен вапнякового наповнювача і карбонізованої матриці в дослідних карбонізованих зразках, виготовлених із сировинної суміші на основі наповнювача з мармуроподібного вапняку складу 1 : 4, ×1000 – 3000.

Дослідження, проведені в зоні контакту великих зерен вапнякового наповнювача і карбонізованої матриці в місці появи тріщини руйнування при іспиті зразків на стиск (див. рис. 6) свідчать про однорідність отриманого матеріалу, високої міцності зчеплення великих зерен наповнювача і карбонізованої матриці в зоні контакту. Тріщина пройшла по штучному карбонатному каменю, що заповнює міжзерновий простір, і по зерну вапнякового наповнювача. Міцність карбонізованої матриці не нижче міцності індивідуального зерна вапнякового наповнювача. Характер руйнування матеріалу показує, що між зернами вапнякового наповнювача й отриманим при штучній карбонізації карбонатним каменем відбувається активна фізико-хімічна взаємодія з утворенням міцних контактів зрощення.

Згідно РФА, фазовий склад матеріалу дослідних зразків-сирців, отриманих при Рпит. = 10 МПа і початковому водовмісті суміші 15 % на основі наповнювача з мармуроподібного вапняку при складі сировинної суміші 1:1 складається з 50,47 % кальциту і 46,88 % портландиту. Після карбонізації дослідних зразків протягом 18000 с кількість кальциту збільшується до 83,05 %, а кількість портландиту знижується відповідно до 14,33 %.

Згідно даним рентгенограм, у процесі карбонізації відбувається інтенсивне утворення СаСО3, а також утворення дефектів у кристалічних ґратах гідроксиду кальцію. Це явище погоджується з даними ДТА, що фіксують зниження температури розкладання гидроксиду кальцію з 803 К до карбонізації до 773 К після карбонізації.

Дослідження впливу кремнеземистого наповнювача (кварцовий пісок, Мк = 1,1) на формування структури карбонізованого матеріалу, показали, що зерна піску є інертними частками в карбонізованому матеріалі (рис. 7). При іспиті на стиск карбонізований матеріал руйнується по зоні контакту між зернами піску і карбонізованої матриці, що підтверджується значним зниженням механічної міцності зразків. Помітна відсутність контактів зрощення на границі «наповнювач-в’яжуче».

Рис. 7. Мікроструктура зони контакту кварцового піску і вапнякової матриці в дослідних карбонізованих зразках, виготовлених із сировинної суміші складу 1 : 4, ×250.

Дослідження з визначення залежності впливу різних добавок на фізико-механічні характеристики карбонізованого матеріалу представлені на рис. 8. Як добавки застосовували наступні хімічні і мінеральні добавки: сахароза, мікрокремнезем, полімер Vinnapas 4023 N.

Отримані дані показали, що введення сахарози в кількості 0,2 % мас. знижує показник міцності на стиск дослідних карбонізованих зразків на 13,5 % у порівнянні з міцністю контрольних зразків без добавки. Середня щільність знижується на 1,2 %, водостійкість на 18,1 %. Водопоглинення підвищується на 14,3 %. Зі збільшенням кількості сахарози з 0,2 % до 1,2 % мас. показники міцності дослідних карбонізованих зразків знижуються на 41,1 %, водостійкість – 26,5 %, а водопоглинення збільшується на 44,8 %.

Введення в сировинну суміш добавок МК і полімеру Vіnnapas знижує показник міцності на стиск карбонізованих зразків у 1,1 – 1,3 рази в порівнянні з контрольними карбонізваними зразками без добавок. Підвищується також водопоглинення матеріалу в 1,1 – 1,3 рази. Такий вплив мікрокремнезему на фізико-механічні властивості дослідних зразків можна пояснити в такий спосіб. Відомо, що ефект дії МК у бетоні виявляється до 28 сут твердіння за рахунок його розчинення і взаємодії із Са(ОН)2. У нашому випадку дослідні зразки відразу після формування піддаються карбонізації протягом 18000 с, і основна частина вільного вапна за цей час переходить у карбонат кальцію, а МК залишається у своєму первісному стані сферичних часток. Імовірно, що зчеплення часток МК із новоствореними кристалами СаСО3, буде аналогічно зчепленню часток кварцового піску, тобто

міцного контакту зрощення немає.

Рис. 8. Міцність на стиск дослідних карбонізованих зразків-циліндрів у залежності від виду і кількості добавки: 1 – без добавки; 2 –  сахароза; 3 – мікрокремнезем (МК); 4 – редиспергований полімерний порошок (РПП) Vinnapas 4023 N.

Зменшення міцності дослідних карбонізованих зразків при введенні РПП можна пояснити негативною дією полімерних плівок, що обволікають зерна вапнякового наповнювача і перешкоджають виникненню міцних контактів зрощення зерен наповнювача і новостворенного СаСО3.

Комплекс проведених досліджень дозволив одержати оптимальний склад вапняно-вапнякової композиції з мінімальним змістом вапняного в'яжучого, що складається з 20 % гашеного вапна і 80 % вапнякового наповнювача. Цей склад на основі наповнювача з мармуроподібного вапняка дозволив при питомому тиску пресування 30,0 МПа та водовмісті суміші 5 % мас. одержати карбонізований матеріал міцністю на стиск 45,8 МПа і водостійкістю 0,88.

П’ятий розділ присвячений практичній реалізації результатів досліджень. Розроблені технологічна схема виробництва будівельних облицювальних виробів на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння і «Технологічний регламент виробництва лицьової цегли на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння з використанням вторинної вапнякової сировини». На підприємстві ПП «Агрегат», м. Ялта, АРК здійснений випуск дослідної партії карбонізованої облицювальної цегли на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння з використанням наповнювачів з мармуроподібного і нумулітового вапняків. Отримана цегла мала марку М350 та М250 відповідно, водостійкість – 0,88 і 0,85, водопоглинення по масі – 7,4 і 9,4 % та морозостійкість не менше F50; теплопровідність карбонізованого матеріалу цегли склала 0,6 і 0,54 Вт / м·K, відповідно.

Економічний ефект від упровадження виробництва карбонізованої лицьової цегли на основі вапняно-вапнякових композицій за замкнутою технологією, що включає виробництво вапна, застосування вапнякових побічних продуктів і використання для обробки виробів пічних газів, що відходять, складе 6 019 200 грн.

ВИСНОВКИ

Основні наукові результати і висновки, отримані при проведенні досліджень, зводяться до наступного:

1. Теоретично обґрунтована й експериментально підтверджена можливість одержання будівельних облицювальних виробів на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння, за рахунок інтенсифікації процесу твердіння композицій на основі гашеного вапна в середовищі підвищеної концентрації вуглекислого газу.

2. Теоретичними і практичними дослідженнями визначено вплив підвищеної концентрації вуглекислого газу на фізико-механічні властивості дослідних карбонізованих зразків. Встановлено, що з підвищенням концентрації СО2 до 50 %, міцність при стиску дослідних карбонізованих зразків збільшується в 2  4 рази, водостійкість у 1,6  1,8 рази, водопоглинення зменшується в 1,1  1,4 рази, у порівнянні з не карбонізованими зразками аналогічних складів і умов виготовлення. Збільшення концентрації СО2 понад 50 % приводить до зниження показників міцності та водостійкості дослідних карбонізованих зразків через агресивний вплив надлишкової кількості розчиненого вуглекислого газу в результаті якого новостворені кристали СаСО3 піддаються корозії. Виявлено, що необхідна і достатня концентрація СО2 для карбонізації вапна знаходиться в межах 25  40 %.

3. Показано, що мікроструктура зовнішнього шару карбонізованих зразків товщиною до 5 мм в основному складається з ромбоедричних кристалів кальциту розміром 2  4 мкм, між якими розташовані скаленоедричні кристали розміром 1  3 мкм. В міру наближення до центру карбонізованих зразків в матеріалі починають переважати скаленоедричні кристали кальциту розміром 1  2 мкм. Ступінь карбонізації дослідних вапняних зразків отриманих при питомому тиску пресування 7,5 МПа, початковому водовмісту сировинної суміші 10 – 20 % мас. і карбонізованих протягом 18000 с у середовищі з концентрацією 30 % СО2 складає 80 – 85 %.

4. Проведено оптимізацію основних технологічних параметрів одержання карбонізованих матеріалів на основі вапняно-вапнякових композицій, що твердіють у середовищі підвищеної концентрації вуглекислого газу. Отримано тривимірні поверхні відгуку, що показують оптимальні значення технологічних параметрів для одержання карбонізованого матеріалу міцністю на стиск 15 – 20 МПа і Кр більш 0,8. Згідно отриманим даним питомий тиск пресування повинен бути не менш 25 МПа, кількість карбонатного наповнювача в суміші – 60 – 70 % мас., питома поверхня наповнювача – 3000 – 3500 см2/г, початковий водовміст сировинної суміші – 5 – 10 % мас.

5. Вивчено вплив виду вапнякового наповнювача на структуроутворення і властивості карбонізованого матеріалу. Встановлено, що в процесі карбонізації морфологія кристалів вторинного карбонату кальцію, що утворився, подібна з морфологією кристалів вапнякового наповнювача в незалежності від його виду. Кристали СаСО3 що утворилися представлені ромбоедрами розміром 2 – 4 мкм. Помітні великі кристали вапнякового наповнювача з нарощеними на них групами щільно зрослих між собою кристалів кальциту мікрометричного розміру утворюючи щільний просторовий каркас, що скріплює зерна вапнякового наповнювача в єдиний кристалічний зросток. Вапняковий наповнювач, утворює додаткові центри кристалізації для вторинного карбонату кальцію. Отриманий карбонізований камінь має Rст = 45,8 МПа і водостійкість 0,88. Фізико-механічні характеристики карбонізованого каменю залежать від виду вапнякового наповнювача. Найбільшу міцність і водостійкість мають зразки на основі мармуроподібних вапняків, у яких Rст на 15 % і Кр на 29,7 % вище аналогічних показників зразків на основі нумулітових вапняків і вапняків-черепашників.

6. Введення хімічних добавок сприятливих розчиненню Са(ОН)2 (сахароза), а також полімерів (Vіnnapas) і мінеральних добавок не вапнякового походження (мікрокремнезем) не поліпшує фізико-механічних властивостей дослідних карбонізованих зразків. Встановлено, що введення добавки будь-якого виду в досліджуваному кількісному діапазоні 0,2 – 1,2 % знижує фізико-механічні властивості дослідних зразків у середньому в 1,1 – 1,3 рази в залежності від кількості добавки.

7. Комплекс проведених досліджень дозволив одержати оптимальний склад вапняно-вапнякової композиції з мінімальним вмістом вапняного вяжучого, що складається з 20 % гашеного вапна і 80 % вапнякового наповнювача. Цей склад на основі наповнювача з мармуроподібного вапняка дозволив при питомому тиску пресування 30,0 МПа та водовмісті суміші 5 % мас. одержати карбонізований матеріал міцністю 45,8 МПа і водостійкістю 0,88.

8. Розроблено технологічну схему виробництва облицювальних виробів на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння по замкнутому циклу. У виробничих умовах ПП «Агрегат» (м. Ялта, АРК) підтверджена можливість одержання якісних облицювальних виробів на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння, отриманих на основі наповнювачів з мармуроподібного і нумулітового вапняків М350 та М250 відповідно, водостійкістю – 0,88 і 0,85, водопоглиненням по масі – 7,4 і 9,4 % та морозостійкістю не менше F50; теплопровідність карбонізованого матеріалу цегли склала 0,6 і 0,54 Вт / м·К, відповідно. Очікуваний економічний ефект від упровадження даного виробництва при річному випуску 16 млн. шт. карбонізованої лицьової цегли складе 6 019 200 грн.

Основні положення дисертації викладено в таких публікаціях:

1. Карбонатные материалы на основе известковых систем контактно-карбонизированного типа твердения / [С.И. Федоркин, Н.В. Любомирский, Т.А. Локтионова, А.С. Бахтин и др.] // Строительство и техногенная безопасность. – Симферополь: НАПКС. – 2007. – вып. 21. – С. 63 – 80.

2. Любомирский Н.В. Методологические основы изучения процесса карбонизации известковых систем / Н.В. Любомирский, Т.А. Локтионова, А.С. Бахтин // «Розвиток наукових досліджень ‘2007»: Матеріали третьої міжнародної науково-практичної конференції, м. Полтава, 26-28 листопада 2007 р. – Полтава: Вид-во «ІнтерГрафіка», 2007. – Т. 6. – С. 42 – 46.

3. Любомирский Н.В. Математическое моделирование процесса карбонизации известкового теста / Н.В. Любомирский, Т.А. Локтионова, А.С. Бахтин // Строительство и техногенная безопасность. – Симферополь: НАПКС. – 2008. – вып. 23. – С. 59 – 68.

4. Любомирский Н.В. Влияние температурного фактора на процесс карбонизации известкового теста / Н.В. Любомирский, Т.А. Локтионова, А.С. Бахтин // Сб. научн. трудов. Строительство, материаловедение, машиностроение. – Дн-вск: ПГАСА. – 2008. – Вып. 47. – С. 387 – 393.

5. Любомирский Н.В. Оптимизация влияния различных технологических факторов на процесс карбонизации известковых систем и получения на их основе искусственного карбонатного камня / Н.В. Любомирский, Т.А. Локтионова, А.С. Бахтин // Моделирование в компьютерном материаловедении. Материалы к 47-му международному семинару по моделированию и оптимизации композитов – МОК ’47. – Одесса: «Астропринт», 2008. – С. 126 – 128.

6. Известково-карбонатные строительные композиты карбонизационного твердения / [Н.В. Любомирский, Т.А. Локтионова, А.С. Бахтин, А.М. Акимов] // Будівельні конструкції: Міжвідомчий науково-технічний збірник наукових праць (будівництво). – Київ: ДП НДІБК. – 2009. – Вип. 72. – С. 319 – 327.

7. Любомирский Н.В. Строительные композиты на основе извести карбонизированного типа твердения / Н.В. Любомирский, А.С. Бахтин, В.М. Сребняк // Motrol. Motoryzacja i energetyka rolnictwa. – Simferopol-Lublin. – 2009. – Vol. 11A. – P. 228 – 238.

8. Любомирский Н.В. Оптимизация условий получения строительных материалов на основе известково-карбонатных композиций карбонизационного твердения  / Н.В. Любомирский, А.С. Бахтин, А.М. Акимов // Зборник научных трудов Луганского Национального аграрного университета. Серия: Технические науки. – Луганск: Издательство ЛНАУ, 2010. – № 14. – С. 334 – 343.

9. Технологические принципы получения стеновых изделий на основе извести карбонизационного твердения с использованием отходов камнедобычи известняков / [Н.В. Любомирский, С.И. Федоркин, А.С. Бахтин, А.М. Акимов] // Сборник докладов II международной конференции BetonForumUA «Современные бетоны. Перспективы развития», г. Киев 7-8 апреля 2010 г. – Киев: Укрцемент, 2010. – С. 31 – 35.

10. Оптимизация технологических параметров получения лицевого кирпича на основе извести карбонизационного твердения / [Н.В. Любомирский, С.И. Федоркин, Т.А. Бахтина, А.С. Бахтин] // Сб. научн. трудов. Строительство, материаловедение, машиностроение. – Дн-вск: ПГАСА. – 2010. – Вып. 56. – С. 265 – 270.

11. Бахтин А.С. Формирование структуры искусственного каменного материала на основе извести карбонизационного твердения / Строительство и техногенная безопасность. – Симферополь: НАПКС. – 2010. – вып. 30. – С. 91 – 102.

12. Любомирский Н.В. Технология производства кирпича на основе известково-карбонатной композиции карбонизационного твердения / Н.В. Любомирский, Т.А. Бахтина, А.С. Бахтин // Строительство и техногенная безопасность. – Симферополь: НАПКС. – 2010. – вып. 32. – С. 60 – 69.

13. Перспективные направления получения лицевого кирпича на основе извести карбонизационного твердения и карбонатного вторичного сырья / [Н.В. Любомирский, А.С. Бахтин, Т.А. Бахтина, А.Е. Джелял] // Motrol. Motoryzacja I energetyka rolnictwa. – Lublin. – 2011. – Vol. 13С. – P. 80 – 90.

14. Влияние качества извести и концентрации углекислого газа на физико-механические свойства искусственно карбонизированного камня / [Н.В. Любомирский, А.С. Бахтин, Т.А. Бахтина, А.Е. Джелял] // Motrol. Motoryzacja I energetyka rolnictwa. – Lublin. – 2011. – Vol. 13С. – P. 173 – 182.

15. Технология получения карбонизированного лицевого кирпича на основе извести и вторичного карбонатного сырья / [Н.В. Любомирский, А.С. Бахтин, Т.А. Бахтина, Д.М. Воробьев, и др.] // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. – Рівне: Нац. ун-т водн. госп. та природо-користування. – 2011. – Вип. 22 – С. 112 – 119.

16. Пат. 28051 Україна, МПК (2006) G09B 5/00. Пристрій для вивчення процесу карбонізації: Пат. 28051 Україна, МПК (2006) G09B 5/00 М.В. Любомирський, С.І. Федоркін, Т.О. Локтіонова, О.С. Бахтін (Україна). – № u 2007 07543; Заявл. 05.07.2007; Опубл. 26.11.2007, Бюл. № 19. – 2 с.

17. Пат. 42074 Україна, МПК (2009) С04В 2/00. Композиція для виробництва композитних карбонізованих виробів: Пат. 42074 Україна, МПК (2009) С04В 2/00 М.В. Любомирський, С.І. Федоркін, Т.О. Локтіонова, О.С. Бахтін, Н.М. Новак, Д.М. Воробйов (Україна). – № u 2008 15061; Заявл. 26.12.2008; Опубл. 25.06.2009, Бюл. № 12. – 2 с.

18. Пат. 42075 Україна, МПК (2009) С04В 2/00. Спосіб виробництва композитних карбонізованих виробів: Пат. 42075 Україна, МПК (2009) С04В 2/00 М.В. Любомирський, С.І. Федоркін, Т.О. Локтіонова, О.С. Бахтін, О.О. Железняков, В.В. Ніколаєнко (Україна). – № u 2008 15064; Заявл. 26.12.2008; Опубл. 25.06.2009, Бюл. № 12. – 2 с.

19. Пат. 90407 Україна, МПК (2009) С04В 2/00. Спосіб виробництва композитних карбонізованих виробів: Пат. 90407 Україна, МПК (2009) С04В 2/00 М.В. Любомирський, С.І. Федоркін, Т.О. Локтіонова, О.С. Бахтін (Україна). – № а2008 15063; Заявл. 26.12.2008; Опубл. 26.04.2010, Бюл. № 8. – 2 с.

20. Пат. 90408 Україна, МПК (2009) С04В 2/00. Композиція для виробництва композитних карбонізованих виробів: Пат. 90408 Україна, МПК (2009) С04В 2/00 М.В. Любомирський, С.І. Федоркін, Т.О. Локтіонова, О.С. Бахтін (Україна). – № а2008 15058; Заявл. 26.12.2008; Опубл. 26.04.2010, Бюл. № 8. – 2 с.

АНОТАЦІЯ

Бахтін О.С. Будівельні облицювальні вироби на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння. – рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби. Національна академія природоохоронного та курортного будівництва, Сімферополь, 2011.

Дисертація присвячена дослідженню процесу штучної карбонізації гашеного вапна і композиційних систем на її основі і створенню технологічних принципів одержання облицювальних виробів на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння.

Теоретично обґрунтована й експериментально підтверджена можливість одержання будівельних облицювальних виробів на основі вапняно-вапнякових композицій карбонізаційного твердіння, за рахунок інтенсифікації процесу твердіння композицій на основі гашеного вапна в середовищі підвищеної концентрації вуглекислого газу. Встановлено, що необхідна і достатня концентрація СО2 у камері карбонізації знаходиться у межах 25 – 40 %. Протягом 18000 с штучної карбонізації міцність при стиску дослідних карбонізованих зразків збільшується в 2 – 4 рази, водостійкість – у 1,6 – 1,8 рази, водопоглинення зменшується в 1,1 – 1,4 рази, у порівнянні з не карбонізованими зразками аналогічних складів і умов виготовлення.

У виробничих умовах ПП «Агрегат» (м. Ялта, АРК) підтверджено можливість одержання якісного облицювального матеріалу шляхом штучної карбонізації вапняно-вапнякових композицій, отриманих на основі наповнювачів з мармуроподібного і нумулітового вапняків крупністю до 2,5 мм, що має наступні фізико-механічні характеристики, відповідно: середня густина цегли – 1,51 и 1,41 г/см3; середня густина карбонізованого матеріалу – 2,1 и 2,0 г/см3; межа міцності при стиску – 37,8 и 26,5 МПа; водостійкість – 0,88 и 0,85; водопоглинення – 7,4 и 9,4 %; морозостійкість – не менше 50 циклів; теплопровідність карбонізованого матеріалу – 0,6 и 0,54 Вт / м·К. Очікуваний економічний ефект від упровадження даного виробництва при річному випуску 16 млн. шт. карбонізованої лицьової цегли складе 6 019 200 грн.

Ключові слова: будівельні облицювальні матеріали, карбонізаційне твердіння, вапно, вуглекислий газ, вапняно-вапнякова композиція, структуроутворення, міцність, водостійкість.

АННОТАЦИЯ

Бахтин А.С. Строительные облицовочные изделия на основе известково-известняковых композиций карбонизационного твердения. – рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 – Строительные материалы и изделия. Национальная академия природоохранного и курортного строительства, Симферополь, 2011.

Диссертация посвящена исследованию процесса искусственной карбонизации гашеной извести композиционных систем на ее основе и созданию технологических принципов получения облицовочные изделия на основе известково-известняковых композиций карбонизационного твердения.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения строительных облицовочных изделий на основе известково-известняковых композиций карбонизационного твердения, за счет интенсификации процесса твердения композиций на основе гашеной извести в среде повышенной концентрации углекислого газа.

Теоретическими и практическими исследованиями определено влияние повышенной концентрации углекислого газа на физико-механические свойства опытных карбонизированных образцов. Установлено, что с повышением концентрации СО2 до 50 %, прочность при сжатии опытных карбонизированных образцов увеличивается в 2 – 4 раза, водостойкость – в 1,6 – 1,8 раза, водопоглощение уменьшается в 1,1 – 1,4 раза, в сравнении с не карбонизированными образцами аналогичных составов и условий изготовления. Необходимой и достаточной является концентрация СО2 в камере карбонизации в пределах 25 – 40 %.

Показано, что микроструктура наружного слоя карбонизированных образцов толщиной до 5 мм в основном состоит из ромбоэдрических кристаллов кальцита размером 2 – 4 мкм, между которыми расположены скаленоэдрические кристаллы размером 1 – 3 мкм. По мере приближения к центру карбонизированного образца в материале начинают преобладать скаленоэдрические кристаллы кальцита размером 1 – 2 мкм.

Проведена оптимизация основных технологических параметров получения карбонизированных материалов на основе известково-известняковых композиций, твердеющих в среде повышенной концентрации углекислого газа. Получены трехмерные поверхности отклика и их сечения, показывающие оптимальные значения технологических параметров для получения карбонизированного материала прочностью на сжатие 15 – 20 МПа и Кр более 0,8. Согласно полученным данным удельное давление прессования должно быть не менее 25 МПа, количество карбонатного наполнителя в смеси – 60 – 70 % мас., удельная поверхность наполнителя – 3000 – 3500 см2/г, начальное водосодержание сырьевой смеси – 5 – 10 % мас.

Определено, что прочность карбонизированной известковой матрицы не ниже прочности индивидуального зерна известнякового наполнителя. Исследованный характер разрушения карбонизированного материала свидетельствует, об активном химическом взаимодействии зерен известнякового наполнителя и образующегося в процессе карбонизации вторичного карбоната кальция, с образованием прочных контактов срастания.

Разработана технологическая схема производства облицовочных изделий на основе известково-известняковых композиций карбонизационного твердения по замкнутому циклу. В производственных условиях ЧП «Агрегат» (г. Ялта, АРК) подтверждена возможность получения качественного облицовочного материала путем искусственной карбонизации известково-известняковых композиций, полученных на основе наполнителей из мраморовидного и нуммулитового известняков крупностью до 2,5 мм, обладающего следующими физико-механическими характеристиками, соответственно: средняя плотность кирпича – 1,51 и 1,41 г/см3; средняя плотность карбонизированного материала – 2,1 и 2,0 г/см3; предел прочности при сжатии (марка) – 37,8  и 26,5 МПа (М350 – М250); коэффициент размягчения – 0,88 и 0,85; водопоглощение по массе – 7,4 и 9,4 %; морозостойкость – не менее 50 циклов; теплопроводность карбонизированного материала кирпича – 0,6 и 0,54 Вт / м·К. Ожидаемый экономический эффект от внедрения данного производства при годовом выпуске 16 млн. шт. карбонизированного лицевого кирпича составит 6 019 200 грн.

Ключевые слова: строительные облицовочные материалы, карбонизационное твердение, известь, углекислый газ, известково-известняковая композиция, структурообразование, прочность, водостойкость.

SUMMARI

Bakhtin А.S. Building facings wares on the basis of lime-limestone composition carbonation hardening.

Thesis work for the degree of Candidate of Technical sciences by specialization 05.23.05 – Building materials and products. National Academy of Nature Protection and Resort Construction, Simferopol, 2011.

The given thesis work is devoted to investigation of the process artificial carbonation of lime paste and creation of technological principles of deriving of wall materials of carbonation hardening on the basis of lime, using carbonate technogenic raw.

On the basis of theoretical justification, the possibility of obtaining of artificial stone wall materials by means of change of the structure and properties of lime systems under the influence of carbon dioxide was confirmed experimentally. It is found, that formation of secondary calcium carbonate in artificial carbonation of lime paste is multistage and deals with formation of various intermediate compounds: hydrated calcium carbonate of different degrees of hydration and calcium bicarbonate. Physico-chemical and physico-mechanical properties of carbonized limestone mainly depend on conditions of lime samples deriving (humidity and pressing conditions) as well as on the temperature of carbonation.

The introduction of smart series of carbonized wall lime-limestone products is implemented at private enterprise “Agregat” (Yalta city, ARC). As a result, ordinary and facing bricks were derived possessing the following physico-mechanical characteristics: the average density of brick – 1,51 and 1,41 g/cm3; the average density of the carbonized material of brick is 2,1 and 2 g/cm3; compressive strength (mark) – 38,7 and 26,5 МРа (М350 and M250); softening coefficient – more than 0,85 and 0,88; water absorption – 7,4 and 9,4 %; frost resistance – 50 cycles, thermal conductivity – 0,54 and 0,6 W / m·K. The expected economic effect from the introduction of production with annual output of 16 million bricks per year would be: for facial bricks – 6 019 200 UAH.

Key words: building wall materials, carbonation hardening, lime, carbon dioxide, lime-limestone composition, formation of structure, strength, water resistance.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

60554. Добірка уроків алгебри в 9 класі по темі «Нерівності» 907 KB
  Основні властивості числових нерівностей. Сформулювати основні властивості числових нерівностей. Приклади опорний конспект Знаки нерівностей. Приклади числових нерівностей План проведення лекції...
60557. Цілі та завдання виховного процесу в сучасній школі 107 KB
  Поняття та сутність виховання. Розв’язання цієї проблеми як підтверджує вітчизняний і світовий досвід можливе за умови оптимізації управіління процесом виховання за допомогою гуманізації освіти що має забезпечити утвердження пріоритету загальнолюдських цінностей у суспільстві. Саме гуманне виховання особистості сприяє олюдненню суспільних відносин формуванню взаємодії людей за суб’єктсуб’єктною моделлю зміст якої безпосередньо впливає на спрямованість і характер потреб цілей інтересів особистості тоді як процеси...
60558. Управление Пенсионного Фонда России в Свердловском районе города Иркутска 220.48 KB
  Структура дипломного проекта включает 4 раздела. В первом разделе охарактеризованы теоретические основы организации оценки и аттестации персонала. В работе даны подходы к оценке персонала, определены методы оценки персонала. Проанализирован отечественный и зарубежный опыт оценки персонала