Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время удельная энергоемкость внутреннего валового продукта в нашей стране в среднем в 4 раза выше, чем в развитых промышленных странах, и в 2,3 раза превышает среднемировой показатель. Еще более обострена эта проблема в строительном комплексе, одном из наиболее ресурсо- и энергоемких. Из всех процессов создания строительной продукции производство строительных материалов является наиболее крупным потребителем энергетических ресурсов, при этом наиболее энергоемкими являются производства цемента, листового стекла, сборных железобетонных конструкций и изделий, штучных строительных материалов. Проблема настойчиво требует перестройки способов производства большинства строительных материалов и изделий, не отвечающих современным требованиям по эффективности, продукция не конкурентоспособна на рынке, в то время как мировые тенденции направлены на всемерную экономию материальных и энергетических затрат.
Одним из направлений снижения показателя удельной энергоемкости является организация принципиально новых процессов получения строительной продукции, исключающих или сокращающих технологические стадии или переделы, где затрачивается большое количество энергии или образуется большое количество отходов. Исключение одной из самых энергоемких операций (традиционный перевод гипса в вяжущее путем термообработки), позволяет значительно снизить затраты на производство безобжиговых гипсовых изделий, упростить технологию и исключить наиболее опасные предельные технологические параметры. Однако до настоящего времени предлагаемые способы получения таких материалов не нашли широкого применения, что связано и с технологическими сложностями, и удорожанием получаемой продукции в случае использования высокодисперсных порошков, и с возникновением экологических проблем при утилизации загрязненных фильтратов.
Получение гипсовых безобжиговых композитов связано, прежде всего, с оптимизацией внутренней структуры композита, обеспечивающей высокие физико-механические характеристики материала. В связи с этим возникает необходимость применения методов математического моделирования при изучении внутренней структуры дисперсных систем.
Еще одна проблема связана с вопросом ресурсосбережения, поскольку производство строительных материалов требует вовлечения огромных ресурсов: минерального сырья, топливных ресурсов, биомассы и кислорода. Необходимо шире вовлекать в производство отходы многих производств, в том числе и самой строительной индустрии, как это принято за рубежом. К таким отходам можно отнести отходы отсевов и дробления гипсовой породы и отходы форм при производстве изделий строительной керамики, которые до настоящего времени практически не используются для получения товарной продукции строительного профиля. Это позволило бы не только удешевить получаемую продукцию, вовлечь в производство ценное техногенное сырье, но и повысить экологическую составляющую во многих регионах.
Моделирование дисперсных систем негидратационного твердения из техногенных ресурсов и создание вычислительной модели для получения высокопрочного гипсового композита является актуальной, современной и значимой задачей.
Цель диссертационной работы – моделирование и оптимизация внутренней структуры дисперсных систем негидратационного твердения и использование разработанной модели в качестве теоретической основы при создании гипсовых безобжиговых композитов строительного назначения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка модели топологического пространства дисперсной системы негидратационного твердения применительно к внутренней структуре материала, полученного способом полусухого прессования на основе дигидрата сульфата кальция;
на основе полученной модели разработка методики численного исследования структуры, обеспечивающей максимальное количество активных центров кристаллизации в системе негидратационного твердения;
определение роли дисперсности и зернового состава сырьевых смесей в процессе фазообразования гипсовых систем негидратационного твердения;
выполнение исследований растворимости дисперсной системы, средней плотности и прочности прессованного материала на основе дигидрата с целью оптимизации внутренней структуры и свойств дисперсной системы;
изучение роли состава среды в процессе структурообразования в условиях гиперпрессования гипсовых композитов и его влияние на формирование свойств безобжиговых материалов;
разработка оптимальных составов высокопрочных отделочных материалов, рекомендованных к производству и апробирование результатов исследований в производственных условиях.
Научная новизна.
Впервые разработана и экспериментально подтверждена модель топологического пространства дисперсной системы негидратационного твердения с учетом особенности упаковки зерен двух монофракций. Произведенными расчетами выявлено оптимальное соотношение объёмных наполнений мелкими и крупными частицами в структуре (1,7 : 1), обуславливающее максимальное вовлечение в работу структурных связей.
Определены закономерности формирования кристаллизационных контактов в структуре прессованных гипсовых композитов нового поколения за счет использования разной растворимости вещества (со степенью пересыщения 1,15) в составе бинарной сырьевой смеси (с содержанием грубо- и тонкодисперсного порошков в пропорции 30 % : 70 %) на основе отходов природного и техногенного гипсового сырья.
Установлены закономерности изменения структуры в соответствии с предложенной математической моделью в зависимости от зернового состава бинарной сырьевой смеси, рН среды, вида применяемой щелочи, технологических условий (формовочной влажности, давления прессования и др.), комплексного влияния среды и времени твердения. Установлен механизм физико-химического воздействия гидрата окиси кальция на структурно-фазовые превращения, количество дисперсионной среды, что предопределяет структуру и улучшение свойств прессованных гипсовых безобжиговых композитов, в том числе повышение прочности более чем в 2,5 раза.
Практическая значимость работы заключается в расширении сырьевой базы производства гипсовых строительных материалов и изделий за счет использования отходов двуводного гипса и разработке технологии получения гипсовых изделий на их основе по упрощенной энергосберегающей технологии.
Разработаны и теоретически обоснованы рекомендации по оптимизации составов бинарных сырьевых смесей из порошков техногенного дигидрата сульфата кальция, а также высокопрочных безобжиговых стеновых прессованных композитов.
Разработаны принципы технологии производства мелкоштучных стеновых изделий и облицовочной плитки, получаемых методом полусухого прессования дисперсных композиций на основе дигидрата сульфата кальция, позволяющих значительно снизить удельный расход энергоресурсов за счет исключения операции получения вяжущего вещества и использования внутренней энергии вещества для формирования структуры композита.
Реализация работы. Для внедрения результатов работы в производство разработаны проекты нормативных документов: стандарта организации и технологического регламента на производство безобжиговой гипсовой облицовочной плитки. Результаты диссертационной работы подтверждены выпуском опытно-промышленных партий гипсовых безобжиговых композитов строительного назначения: облицовочной плитки (ООО «РГА сервис», Московская обл.) и гипсового кирпича (ООО «ГК Юнисхим», г. Воскресенск, Московская обл.).
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы представлены на: Х академических чтениях РААСН - Достижения, проблемы и направления развития теории и практики строительного материаловедения, КГАСУ (Казань, 2006); IV Всероссийском семинаре по гипсу с международными участниками (Волгоград, 2008); ХV академических чтений РААСН – Международной научно-технической конференции, КГАСУ (Казань, 2010); Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (Белгород, 2010); Международном семинаре – конкурсе молодых ученых и аспирантов, работающих в области вяжущих веществ, бетонов и сухих смесей (Москва, 2010), где заняла 2 место; Международной конференции «WEIMARERGIPSTAGUNG» (Веймар, Германия, 2011 г.)
Публикации.
Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 24 научных публикациях, в том числе в 7 статьях в журналах из перечня ВАК и подтверждены свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011615905.
Структура и объём работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка используемых источников из 146 наименований. Содержит 212 страниц машинописного текста, 71 рисунок и 31 таблицу.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту, к.т.н., доценту Бурьянову А.Ф. за ценные замечания и помощь при выполнении диссертации.
Похожие диссертации на Моделирование дисперсных систем из гипсовых техногенных ресурсов для получения композитов строительного назначения
