Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
10
УДК 691.3:669.054.8.002.8
МАТЕРІАЛ НА ОСНОВІ ТЕХНОГЕННИХ ПРОДУКТІВ
МЕТАЛУРГІЇ
05.23. 05. Будівельні матеріали та вироби
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ - 2000
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури, Міністерство освіти і науки України.
Шпирько Микола Васильович ,
Придніпровська державна академія будівництва
та архітектури, завідувач кафедри будівельних
матеріалів
Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор
Щеглова Меланія Дмитрівна
Український державний хіміко-технологічний університет, професор кафедри хімічної технології
в’яжучих матеріалів,
кандидат технічних наук, доцент
Бєгун Олександр Іванович
Дніпропетровський Державний аграрний універси-
тет, доцент кафедри експлуатації гідромеліоратив- них систем та технології виробництва
Провідна установа Донбаська державна академія будівництва та
архітектури, кафедра будівельних матеріалів та виробництва будівельних конструкцій, Міністерство освіти і науки України, м.Макіївка.
Захист відбудеться ''16'' березня 2000р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.085. 01 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою:
49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а., ауд. 202.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури:
49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.
Автореферат розісланий 16 лютого 2000р.
Вчений секретар
спеціалізованої
вченої ради Баташева К. В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ. Однією з найбільш актуальних проблем сучасності є економія енергоносіїв. Основним напрямком науково-дослідних робіт в галузі будівельних матеріалів є розробка і впровадження енерго - і ресурсозберігаючих технологій, зниження матеріаломісткості будівельних виробів і конструкцій, використання техногенних продуктів промисловості, зокрема металургійної,які містять комплекс високоактивних оксидіву поєднан- ні з лужними компонентами.
У Придніпровському регіоні є значна кількість дисперсних техногенних продуктів феросплавних виробництв, які з успіхом можуть бути використані у виробництві будівельних матеріалів, в тому числі жаростійких та стінових.
Вирішення цього завдання можливе на основі теоретичних уявлень і наукового підходу до використання шлаків і пилу газоочистки феросплавного виробництва.
Найбільш практичне значення має використання як компонентів конструкційно-теплоізоляційних матеріалів з підвищеною міцністю, термостій- кістю і зниженою теплопровідністю техногенних продуктів феросплавного виробництва –шлаку металевого марганцю (ШММ), пилу газоочистки виробництва феросиліцію (ПГВФ), гранульованого шлаку від виплавки силікомарганцю
Використання відходів феросплавного виробництва дозволить розширити сировинну базу і номенклатуру виробів, що випускаються, істотно не змінюючи технологію їх виробництва, а також вирішити проблему охорони навколишнього середовища.
ЗВ'ЯЗОК РОБОТИ З НАУКОВИМИ ПРОГРАМАМИ,ТЕМАМИ, ПЛАНАМИ:
Викладені в дисертації дослідження виконані згідно з науковими напрямками кафедр технології бетонів і вяжучих та будівельних матеріалів, відповідно до програми науково –дослідних робіт “Пріоритетні напрямки у розвитку науки і техніки. Розділ 6. Нові речовини і матеріали”, затвердженої наказом Міносвіти Украіни №330, додаток 2 від 04.12.95р, а також відповідно до цільової комплексної міжнародної науково-технічної програми з будівництва ОЦ. 031.
МЕТА І ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ: полягають в підвищенні міцності, термостійкості конструкційно-теплоізоляційних матеріалів, а також у зниженні втрати міцності при нагріванні до 1073 К, і зниженні теплопровідності за рахунок введення до складу штучного каменю і матеріалу на основі його компонентів пилу газоочистки виробництва феросиліцію, що містить до 96% аморфного кремнезему, яке призводить до утворення більшої кількості низькоосновних та змішаних гідросилікатів кальцію при нормальних умовах і утворенню нових зв΄зків MnOSi при нагріванні матеріалу вище 673К.
Згідно з поставленою метою дисертаційної роботи сформульовані такі завдання досліджень:
- розробка раціональних складів штучного каменю на основі техногенних продуктів феросплавного виробництва-шлаку металевого марганцю, пилу газоочистки виробництва феросиліцію і рідкого скла;
- дослідження фізико-механічних і теплофізичних властивостей штучного каменю;
- розробка оптимальних складів жаростійкого конструкційно-теплоізоля- ційного матеріалу;
-дослідження фізико-механічних і теплофізичних властивостей жаростій- кого конструкційно - теплоізоляційного матеріалу;
-проведення дослідно-промислового впровадження розробленого мате- ріалу.
НАУКОВА НОВИЗНА ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ.
Теоретично обгрунтоване підвищення міцності в широкому діапазоні температур, термостійкості, зниження теплопровідності матеріалу за рахунок введення до складу штучного каменю і матеріалу на основі його компонентів пилу газоочистки виробництва феросиліцію.
Розроблені оптимальні склади штучного каменю, що містить шлак металевого марганцю, пил газоочистки виробництва феросиліцію і рідке скло, які відрізняються підвищеною міцністю, термостійкістю.
Запропоновані нові склади жаростійкого конструкційно-теплоізоляцій-ного матеріалу на основі компонентів розробленого штучного каменю шляхом введення до складу бетону гранульованого шлаку від виплавки силікомарганцю, які відрізняються підвищеною міцністю, термостійкістю, зниженою теплопровідністю.
Проведеними фізико-хімічними методами досліджень доведено, що підвищення міцності при звичайних температурах відбувається за рахунок формування більшої кількості низькоосновних (d=1,21; 0,307; 0,28; 0,183нм) і змішаних гидросилікатів кальцію в одиниці об’єму, зниження капілярної пористості. Підвищення міцності в інтервалі температур від 773К до 1073К досягається за рахунок зв'язування вільних СаО і MnO, що утворюються при термічній дисоціації Са(OH) і MnCO, аморфним кремнеземом.
Доведено, що зниження теплопровідності здійснюється за рахунок розсіювання теплових фононів і одержання оптимальної пористості матеріалу.
ПРАКТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯ ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ.
На основі проведених досліджень отримані такі результати:
-розроблені склади універсального конструкційно-теплоізоляційного матеріалу на основі техногенних продуктів металургії щільністю 1400-1700кг/м, міцністю 28 –МПа, теплопровідністю 0.46 Вт/мК при 293 К,
.6 Вт/мК при 1073 К, термостійкістю 66 теплозмін;
-розширена сировинна база і знижена собівартість виробництва виробів.
ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК ЗДОБУВАЧА полягає в:
- теоретичному обгрунтуванні і експериментальному підтвердженні підвищення міцності в широкому діапазоні температур, зниження теплопровідності за рахунок введення до складу штучного каменю і матеріалу на основі його компонентів пилу газоочистки виробництва феросиліцію;
- розробці оптимальних складів жаростійкого конструкційно-теплоізоляційного матеріалу і дослідженні його фізико-механічних і теплофізичних властивостей.
- запропонуванні безвипалювальної технологіі виробництва універсального конструкційно-теплоізоляційного матеріалу на основі техногенних продуктів металургії, яка дозволяє одержати матеріали при мінімальній кількості технологічних переробок.
АПРОБАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДИСЕРТАЦІЇ: основні результати дисертаційної роботи доповідались на таких наукових конференціях:
- республіканській науково-технічній конференції “Проблемы и опыт охраны окружающей среды в республике”, Дніпропетровськ, 14-16 листопада 1990р.;
- всесоюзній конференції “Физико-химические проблемы материалове-дения и новые технологии. Ч. 5. Розширение сырьевой базы, комплексное использование минеральных ресурсов и промышленных отходов для получения строительных материалов”, Бєлгород, 21-24 травня 1991р.;
- III міжнародній науковій конференції “Материалы для строительных конструкций“ IСМВ'94, Дніпропетровськ, 8-10 червня, 1994 р.;
ПУБЛІКАЦІЇ : по темі дисертації опубліковано 5 друкованих праць, в тому числі 4 статті у збірниках наукових праць, одне авторське свідоцтво.
ОБСЯГ РОБОТИ : Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку літератури з 110 найменувань та трьох додатків на 5 сторінках. Робота викладена на 149 сторінках тексту, включаючи 39 рисунків
( 39 сторінок) та 5 таблиць ( 5 сторінок).
Основний зміст роботи
У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі досліджень,визначені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів , наведені відомості щодо структури і апробації роботи.
У першому розділі аналізуються питання, пов’язані з перпективами і техніко-економічною доцільністю виробництва жаростійких конструкційно-теплоізоляційних матеріалів. Сформульовані передумови одержання жаростійких конструкційно-теплоізоляційних матеріалів на основі техногенних продуктів феросплавного виробництва, які відзначаються підвишеною міцністю, термостійкістю, зниженою теплопровідністю .
Дослідження застосування шлаків у бетонах різного призначення (В.Д.Глуховський, П.В.Кривенко, К.Д. Нєкрасов, А.П. Тарасова, М.П.Бессмертний, А.М.Тропінов, Г.С. Ростовська) показали, що при їх використанні можна досягти достатньої міцності і термостійкості за рахунок утворення монолітної структури .
Введення добавок тонкодисперсного кремнезему до складу цементних композицій (О.П.Мчедлов-Петросян) збільшує їх міцність на 70—%, дозволяє скоротити тривалість теплової обробки.
Тонкодисперсні кремнеземвмісні добавки (зокрема пил газоочищення виробництва феросиліцію) при взаємодії з лужними компонентами бетонних сумішей прискорюють процеси гідратації.
Крім того, за результатами ряду досліджень введення кремнеземвмісної добавки призводить до зменшення капілярної пористості матеріалу.
Нагрівання жаростійких в’яжучих на основі шлаків і водного розчину силікату натрію до 1073К призводить до втрати міцності за рахунок деструкції гідросилікатів кальцію. Причому, найменьша втрата міцності штучного каменю досягається за перевагою в його складі C –S –H - І
Основна наукова гіпотеза роботи полягає в тому що, введення до складу штучного каменю і матеріалу на основі його компонентів тонкодисперної кремнеземвмісної добавки призводить до підвищення міцності бетону за рахунок утворення більшої кількості низькоосновних і змішаних гідросилікатів кальцію в одиниці об’єму при звичайних температурах, зниження втрати міцності при нагріванні до 1073К і підвищення термічної стійкості за рахунок зв’язування вільних СаО і MnО, які утворюються при термічній дисоціаціі MnCOі Cа(ОH)аморфним кремнеземом, зниженні теплопровідності матеріалу за рахунок отримання оптимальної пористості.
Присутній в шлаку металевого марганцю MnCOрозкладається на MnO i CO при нагріванні вище 573К; при подальшому нагріванні вище 673К Mn переходить з двовалентного стану у тривалентний при одночасній дегідратації гідросилікатів Са і поверхні гідроксильованих частинок кремнезему.
Взаємодія частинок Mn+ з дегідратованими поверхнями кремнезему і силікатів кальцію призводить до зміцнення системи за рахунок утворення додаткових зв’язків Mn O Si, що частково компенсує втрату
O
міцності в результаті дегідратації при нагріванні вище 673К.
Зміцнення системи призводить до підвищення тривалої міцності і термічної стійкості штучного каменю.
У другому розділі наведені характеристики матеріалів і методів досліджень.
У роботі як вихідні матеріали використовувалися : шлак металевого марганцю Запорізького феросплавного заводу, пил газоочистки виробництва феросиліцію Стаханівського феросплавного заводу, гранульований шлак від виплавки силікомарганцю Нікопольського заводу феросплавів, рідке скло.
Мінералогічний склад ШММ представлений в основному - CS (50 –%), тефроітовим мінералом, що являє твердий розчин MnSiO і CaSiO, MnCOз
з невеликою добавкою (MnFe) SiO, скла, і MnO.
Вміст в ,мас
Назва
SiO2 Al2O3 CaO MgO FeO MnO TiO2 C S Р
Шлак
метал. 28,7 3,9 42,9 3,6 0,13 18,8 0,002 0,17 0,25 0,002
маpганцю
Рідке скло застосоване –натрієве щільністю 1400 кг/мз силікатним модулем 2,7, яке містить до 39% води.
Гранульований шлак від виплавки силікомарганцю (ТУ-14-11-217-95) має технічні характеристики, представлені в таблиці 2.
Таблиця 2.
Технічні характеристики гранульованого шлаку
від виплавки силікомарганцю.
|
Показник |
Од. вимірювання |
Характеристика |
|
Густина насипна |
кг/м |
1000 |
|
Абсолютна вологість |
% |
|
|
Вміст зерен фракції –(мм) |
% |
|
|
Кількість включень феросплавів |
% |
|
|
Кількість кремневидних зерен (що не піддались грануляції кусків) круп- ніше 10мм |
% |
|
|
Хімічний склад: SiO |
% |
,3 |
|
AlO |
9,2 |
|
|
CaO |
14,7 |
|
|
FeO |
0,6 |
|
|
MnO |
14,2 |
|
|
Mn |
4,2 |
|
|
RO |
5,4 |
|
|
S |
1,2 |
Встановлено, що пил газоочистки виробництва феросиліцію є високоякісним матеріалом для виробництва жаростійких конструкційно-теплоізоляційних матеріалів на його основі тому,що складається на 92-96% з аморфного кремнезему з питомою поверхнею 2000м/кг.
Дослідження впливу добавок на склад продуктів тверднення проводилися методами рентгенофазового, диференціально-термічного, дилатометричного аналізів.
Для досліджень фізико-механічних та теплофізичних властивостей штучного каменю та матеріалу використовувалися стандартні методи.
Для скорочення кількості експериментів та встановлення залежності міцності штучного каменю та матеріалу на основі його компонентів від складу використали метод математичного планування експерименту на симплексі: симплекс-гратчастий.
У третьому розділі представлені результати експериментальних досліджень впливу кремнеземвмісної добавки на властивості штучного каменю,одержаного при твердінні композиції із шлаку металевого марганцю і рідкого скла.
Визначена залежність міцності штучного каменю від вмісту компонентів у композиції, що має такий вигляд:
Rст=23,4X +20,3X +14,8X+23XX +5,2XX–,2X X ,
де Х- вміст рідкого скла, Х –вміст ПГВФ, Х –вміст ШММ. За одержаною залежністю міцності штучного каменю від концентрації компонентів побудована діаграма “склад-міцність” (рис.1.).
З діаграми “склад-міцність ” визначена раціональна область складових штучного каменю, що містить 60-62% ШММ, 6-12% ПГВФ, 28-32% рідкого скла (РС), з яких для подальших досліджень обрано склад № 1, який містить ШММ –%, РС –%, ПГВФ –%.
За базовий прийнятий склад №2, що включає ШММ –%, РС –%.
60
0 1
64 20
,2 0,8 16
вміст ШММ 68 вміст ПГВФ
0,4 0,6 12
0,6 0,4 8
27
24
0,8 0,2 4
80 18
1 0 0
1
24 28 32 36 40
вміст рідкого скла, %
Рис.1. Діаграма “склад-міцність”для штучного каменю, висушеного при 473К
Результати досліджень наведені у таблиці 3.
Таблиця 3.
Фізико-механічні властивості штучного жаростійкого каменю.
|
СКЛАДИ |
СЕРЕДНЯ ОЦІНКА |
|
|
Вміст у кодированому масштабі |
Натуральний вміст мас., % |
Границя міцності при стиску після сушки, МПа |
|
Х |
Х |
Х |
Х |
Х |
Х |
|
|
,4 |
||||||
|
,3 |
||||||
|
,8 |
||||||
|
,5 |
,5 |
60 |
,6 |
|||
|
,5 |
,5 |
,4 |
||||
|
,5 |
,5 |
|
,5 |
|||
|
,333 |
,333 |
,333 |
,66 |
,66 |
,66 |
,7 |
Рентгенофазовий,диференціально-термічний аналізи дозволили встановити, що введення до складу штучного каменю оптимальної кількості ПГВФ призводить до утворення більшої кількості низькоосновних і змішаних гідросилікатів кальцію в одиниці об’єму, що збільшує міцність штучного каменю при нормальних умовах, що визначено по збільшенню характерного дифракційного максімуму с d=1,21нм.
Результати досліджень показали,що збільшення питомої поверхні ШММ з 250 до 350м /кг призводить до збільшення міцності штучного каменю на 25% з 24 до 30 МПа (відповідно склади 3 та 1).
Проведеними дослідженнями встановлено, що введення до складу штучного каменю до 10% пилу газоочищення виробництва феросиліцію підвищує його короткочасну міцність на 10…15% в інтервалі температур до 473К, знижує втрату короткочасної міцності на 25% в інтервалі температур до 673К-823К і підвищує її на 20% в інтервалі температур 823-1073К (рис.2)
Дериватографічним, рентгенофазовим і дилатометричним аналізами встановлено, що при нагріванні розроблюваного штучного каменю в інтервалі 673-873К відбувається розкладання гідросилікатів кальцію і дегідроксилування поверхні кремнеземистих частинок різного рівня з наступним його ущільненням і утворення зв’язків SiOSi . В інтервалі температур 673-1073К відбувається розкладання MnCO з наступним окисленням Mn+ до Mn+ і ущільненням структури з утворенням додаткових зв’зків MnOSi .
O
Експериментально підтверджено, що з підвищенням температури з 823 до 1073К тривала міцність базового штучного каменю знижується при
= 0,1Rр з 120 до 80 діб. Введення до складу штучного каменя пилу газоочистки виробництва феросиліцію підвищує його тривалу міцність
,
,
50 2,6 1
40 1 2,2 2
2 1,8
30 1,4
3 1,0 3
20 0,6 4
293 473 673 873 1073 1273 . Температура випалу, К
Температура випалу, К б. при розтягненні
а. при стиску
Рис. 2. Залежність міцності штучного каменю від температури випалу.
1,2,3,4, - склади штучного каменю.
при = 0,1Rр на 20…25% (рис.3.), підвищує його термічну стійкість в 1,87 –
lgt,
2,64 рази (рис.4).
lgt,
107
107 2
1
106
106
3
4
105 105
0,1 0,2 0,3Rр 0,1 0,2 0,3Rр
навантаження навантаження
а. штучний камінь з добавкою ПГВФ б. штучний камінь без ПГВФ
Рис. 3. Залежнсть довговічності штучного каменю від ступеня навантаження.
1,2 – склади штучного каменю на ШММ з SШММ = 350м2/кг
3,4 – склади штучного каменю на ШММ з SШММ = 250м2/кг