Автореферат диссертации (Научно-технологические основы использования глинистого сырья для производства силикатных автоклавных материалов)

На правах рукописиВОЛОДЧЕНКО АНАТОЛИЙ НИКОЛАЕВИЧНАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЛИНИСТОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВАСИЛИКАТНЫХ АВТОКЛАВНЫХ МАТЕРИАЛОВ05.16.09 – Материаловедение (строительство)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора технических наукБелгород – 20182Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего образования«Белгородский государственный технологический университетим. В.Г. Шухова»Научный консультант:доктор технических наук, профессорСтрокова Валерия ВалерьевнаОфициальные оппоненты:Овчаренко Геннадий Иванович, доктор технических наук, профессор,ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университетим.

И.И. Ползунова», заведующий кафедрой строительных материаловЛюбомирский Николай Владимирович, доктор технических наук,профессор, ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университетимени В.И. Вернадского, профессор кафедры строительногоинжиниринга и материаловеденияГончарова Маргарита Александровна, доктор технических наук,доцент, ФГБОУ ВО «Липецкий государственный техническийуниверситет», заведующая кафедрой строительного материаловеденияи дорожных технологийВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования «Восточно-Сибирский государственныйуниверситет технологий и управления», г.

Улан-УдэЗащита состоится «21» мая 2018 г. в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.138.02, созданного на базе ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительныйуниверситет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.

26, ЗалУченого совета.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» www.mgsu.ru.Автореферат диссертации разослан «___» _______________20___ г.Ученый секретарьдиссертационного советаАлимов Лев Алексеевич3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования.

Повышение эффективности иснижение энергоемкости технологии производства силикатных автоклавных материалов является одним из приоритетных направлений «Стратегииразвития промышленности строительных материалов на период до 2020года». Это связано с тем, что за последнюю четверть века объемы производства прессованных автоклавных изделий существенно сократились, а уровень производства газобетона, после спада в начале 1990-х гг., восстановился и характеризуется ежегодным ростом, однако отличается высокимиэнергозатратами.Проблемы, возникшие в области производства автоклавных материалов, связаны с объективными причинами: традиционная сырьевая база производства истощается, средств на разведку и ввод в эксплуатацию новыхместорождений недостаточно; производство отличается высокой энергоемкостью как за счет помола такого абразивного материала, как кварцевыйпесок, так и за счет продолжительной автоклавной обработки при высокомдавлении.

По традиционной технологии на основе известково-песчаноговяжущего сложно получать высокопустотные прессованные изделия из-занизкой прочности сырца, а также стабильную ячеистую структуру газобетона в доавтоклавный период без использования цемента.Для снижения материалоемкости и повышения эффективности производства как плотных, так и ячеистых силикатных материалов предлагаетсяиспользование нетрадиционных для стройиндустрии широко распространенных, но маловостребованных алюмосиликатных пород незавершеннойстадии минералообразования (НСМ), применение которых позволит: снизить энергоемкость производства изделий автоклавного твердения на всехтехнологических стадиях; внести существенный вклад в решение проблемкомплексного использования местных сырьевых ресурсов, расширения сырьевой базы строительной отрасли, улучшения экологического состояниярегионов.Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках: грантов и НТП (1985–2010 гг.); программ БГТУим.

В.Г. Шухова – стратегического развития (2012–2016 гг.), опорного университета (2017–2021 гг.); гранта президента РФ НШ-2724.2018.8.Степень разработанности темы. Изучением возможности использования глинистых пород для производства материалов автоклавного твердения занимался ряд отечественных и зарубежных научных школ, начиная с20-х гг. XX в. Однако не системное исследование влияния состава и свойствэтих сложных для изучения пород на характеристики конечных изделий, непозволяло выявлять генетические отложения, которые «подготовлены» геологическими процессами и являются эффективным сырьем именно для производства автоклавных материалов. Отсутствовала научно обоснованнаяметодика расчета состава известково-глинистого вяжущего, что не позволяло проводить корректировку сырьевых смесей, обеспечивающую высокие4физико-механические показатели и долговечность изделий на основеалюмосиликатного сырья различных месторождений, а также стабильностьсвойств материалов при колебаниях состава пород по толще залегания эксплуатируемых залежей.Цель и задачи работы.

Разработка научно-технологических основ использования глинистых пород незавершенной стадии минералообразованиядля производства силикатных автоклавных материалов.Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:– разработка геолого-литологических основ использования алюмосиликатных пород незавершенной стадии минералообразования для производства силикатных материалов автоклавного твердения;– исследование строения, состава и свойств глинистых пород незавершенной стадии минералообразования как новой сырьевой базы материаловавтоклавного твердения;– исследование процессов фазо- и структурообразования в системе «известь – глинистые породы» в гидротермальных условиях;– изучение особенностей процессов поризации и формирования макроструктуры ячеистых бетонов;– изучение механизма формирования структуры силикатных автоклавных материалов с использованием глинистых пород незавершенной стадииминералообразования;– исследование влияния глинистых пород различного состава и генезиса на микроструктуру и физико-механические свойства плотных и ячеистыхавтоклавных материалов;– разработка рациональных составов и технологии производства широкой номенклатуры высокоэффективных материалов автоклавного тверденияс использованием глинистых пород незавершенной стадии минералообразования;– разработка нормативно-технической документации и внедрение результатов работы.Научная новизна.

Разработаны научно-технологические основы использования глинистых пород незавершенной стадии минералообразованияосадочных отложений и коры выветривания алюмосиликатных пород магматического и метаморфического генезиса. Особенностью их минеральногосостава является наличие термодинамически неустойчивых смешаннослойных образований, гидрослюд, рентгеноаморфного вещества; по химическому составу породы характеризуются отношением молей Al2O3/SiO2 от 0,08до 0,17 и суммой молей плавней (Σ R2O+RO+Fe2O3) от 0,054 до 0,826. Этопозволяет существенно снизить энергоемкость процессов структурообразования в системе «CaO–[SiO2–Al2O3–(MgO)]–Н2O», а также исключить цемент из технологии ячеистых силикатных бетонов.Установлены основные закономерности взаимодействия компонентов всистеме «CaO–[SiO2–Al2O3–(MgO)]–Н2O», представленной известью и глинистыми породами незавершенной стадии минералообразования, заключа-5ющиеся в том, что: полное взаимодействие компонентов смеси с переходомв новообразования при требуемых кинетических параметрах реакции обеспечивается при содержании CaO в сырьевой смеси 28–30 мэкв/г глинистыхминералов; эффективное управление синтезом новообразований возможнопри использовании глинистых пород, в которых соотношение минеральныхфаз «слоистые алюмосиликаты / высокодисперсный кремнезем» находитсяв пределах 0,4–1,5.Выявлены особенности фазообразования в системе «CaO–[SiO2–Al2O3–(MgO)]–Н2O» на основе глинистых пород незавершенной стадии минералообразования, заключающиеся в интенсификации синтеза гидросиликатовкальция различной основности, а также образовании алюминийсодержащего тоберморита и гидрогранатов, выполняющих роль микронаполнителей всубмикрокристаллической массе, сложенной низкоосновными гидросиликатами кальция.

Показано, что по химической активности по отношению кСа(ОН)2 компоненты рассмотренных пород можно расположить в ряду:тонкодисперсный кварц  глинистые минералы незавершенной стадии минералообразования  рентгеноаморфное вещество. За счет полиминеральности системы и, как следствие, различной степени активности породообразующих минералов, при гидротермальной обработке различные по составуновообразования синтезируются в разный период времени. Подобная эволюция при твердении системы минимизирует количество микродефектов,возникающих за счет кристаллизационного давления, и способствует синтезу цементирующих соединений рациональной микроструктуры.Предложен механизм формирования структуры силикатных автоклавных материалов с использованием глинистых пород незавершенной стадииминералообразования. Полидисперсная система глинистого вещества, состоящая из слоистых алюмосиликатов и высокодисперсного корродированного кварца в сочетании с известью, создает сырьевую смесь с высокоплотной упаковкой частиц.

Формирование ячеистой структуры осуществляетсяпосредством реализации двух механизмов: введение глинистых компонентов за счет структурных особенностей («пакетное» строение, высокая дисперсность) обеспечивает формирование структурно-механического барьерав начальной дисперсной системе, что обуславливает устойчивость воднойдисперсионной среды между частицами дисперсной фазы; использованиепластифицирующего компонента обеспечивает адсорбционно-сольватноевоздействие на систему за счет осаждения молекул добавки на поверхностичастиц твердой фазы, их гидрофилизации и снижении поверхностногонатяжения среды. Все это в совокупности приводит к формированию дисперсной системы с требуемой пластической прочностью без добавленияцемента, что обеспечивает: повышение газоудерживающей способности посравнению с традиционными для автоклавной технологии смесями; формирование однородной мелкопористой структуры с увеличением плотности иуменьшением толщины межпоровых перегородок.