Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологически обоснованное модифицирование строительных материалов на примере изделий из каустического магнезита

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологически обоснованное модифицирование строительных материалов на примере изделий из каустического магнезита"

На правах рукописи

Насонова Алла Евгеньевна

ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОБОСНОВАННОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПРИМЕРЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КАУСТИЧЕСКОГО МАГНЕЗИТА

Специальность 03.02.08 -Экология (в строительстве и ЖКХ)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 0 НОЯ 2014

Москва 2014

005555577

005555577

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Устинова Юлия Валерьевна

Официальные оппоненты: Кривобородов Юрий Романович, доктор тех-

нических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д.И.Менделеева», профессор кафедры «Химическая технология композиционных и вяжущих материалов»

Пугин Константин Георгиевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», зав. кафедрой «Автомобили и технологические машины» Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский архитектурный ин-

ститут (государственная академия)».

Защита состоится « 10» декабря 2014 г. в 14 часов 00 минут, на заседании диссертационного совета Д 212.138.07, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское ш., 26, зал ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» www.mgsu.ru.

Автореферат разослан « 7~ » И-О^д/^ 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

—-—г—==» Слесарев

Михаил Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы Большинство известных исследований в области экологического строительства сосредоточено на вопросах устойчивой архитектуры и градопланирования, комплексного развития территорий, применения энергоэффективного оборудования, снижения теплопотерь зданий. Однако вопросы, связанные с использованием экологических строительных материалов, являются недостаточно проработанными. Актуальность темы обусловлена тем, что экологическое строительство требует разработки экологичных материалов, обладающих низкой эмиссией опасных веществ с поверхности, повышенной биостойкостью (т. к. биокоррозия не только разрушает строительный материал, но и создает опасную обстановку с точки зрения соблюдения гигиенических и экологических требований) и др. Материалы на основе магнезиальных вяжущих веществ обладают рядом положительных свойств (биостойкость, низкая истираемость и др.), необходимых для создания экологичных материалов, но имеют ограниченное применение из-за их низкой водостойкости. Поэтому наиболее важным аспектом создания экологичных материалов на основе магнезиальных вяжущих является повышение их водостойкости.

Объект диссертационного исследования — строительные материалы на основе каустического магнезита.

Предмет исследования — экологически обоснованное модифицирование строительных материалов на основе каустического магнезита.

Научная гипотеза диссертации. Материалы на основе магнезиальных вяжущих веществ обладают высокими эксплуатационными свойствами, однако низкая водостойкость этих материалов к воздействию влаги интенсифицирует коррозионные процессы, в том числе биоразрушения. Преобладающими процессами при воздействии влаги являются, как правило, биохимические. Это обусловлено участием в них различных видов микроорганизмов, которые, поз

селяясь в объеме и на поверхности материалов, влияют на их экологическую эффективность (под экологической эффективностью здесь понимается снижение суммарной антропогенной нагрузки на окружающую среду в совокупности с сохранением высокого качества среды обитания человека). Сделано предположение, что экологическая эффективность материалов на основе магнезиальных вяжущих может быть повышена путем увеличения их водостойкости.

Цель диссертационной работы — разработка способов модифицирования магнезиальных вяжущих, повышающих их эксплуатационные свойства и экологическую эффективность.

Задачи диссертационной работы:

1. Анализ актуальной информации, обобщающей данные о влиянии экологии строительных материалов на формирование устойчивой среды обитания, опыт использования строительных материалов на основе каустического магнезита и пути повышения экологической эффективности.

2. Определение способов повышения экологической эффективности плитных изделий из каустического магнезита и определение потенциальных модифицирующих добавок.

3. Получение новых данных, касающихся физико-механических свойств образцов, модифицированных полимерными добавками, щавелевой кислотой, хризотил-асбестом и микрокремнеземом.

4. Разработка оптимальных составов материалов на основе каустического магнезита, обладающих повышенной водостойкостью.

Научная новизна:

1. Получены новые данные, касающиеся физико-механических свойств образцов, модифицированных полимерными добавками, щавелевой кислотой, хризотил-асбестом и микрокремнеземом.

2. Разработаны оптимальные составы строительных материалов на основе каустического магнезита, обладающих повышенной водостойкостью.

3. Предложен новый экологически эффективный состав сухой смеси на основе каустического магнезита, который можно затворять водой и подвергать гидравлическому твердению.

4. С применением физико-химических методов исследования подтвержден факт химического взаимодействия между каустическим магнезитом и микрокремнеземом.

Автор выносит на защиту:

1. Новые данные, касающиеся физико-механических свойств образцов, модифицированных полимерными добавками, щавелевой кислотой, хризотил-асбестом и микрокремнеземом.

2. Обладающие повышенной водостойкостью составы на основе каустического магнезита с добавками микрокремнезема, хризотил-асбеста, модифицированного серной кислотой; щавелевой кислотой.

3. Новый экологически эффективный состав сухой смеси на основе каустического магнезита, который можно затворять водой и подвергать гидравлическому твердению.

4. Подтверждение химического взаимодействия между каустическим магнезитом и микрокремнеземом.

Личный вклад автора. Все научные результаты, вынесенные на защиту, получены автором лично.

Методы исследования. Анализ процессов формирования искусственного камня, определение характеристик исходных, промежуточных и конечных продуктов, изучение их структуры выполняли с использованием комплекса современных методов исследований: рентгенофазового анализа, электронной микро-

скопии и инфракрасной спектроскопии. В качестве экологического метода использовался анализ по жизненному циклу.

Обоснованность научных положений и достоверность результатов. Обусловлена применением адекватного научной практике исследовательского и аналитического аппарата, а также апробацией полученных результатов. В частности, при разработке методики экологически обоснованного модифицирования использованы апробированные положения и предпосылки. При получении новых данных и испытаниях новых составов использовалось необходимое число измерений, обеспечивающих получение результатов, находящихся в интервале доверительной вероятности 0,95.

Практическая значимость работы:

1. Предложена методика экологически обоснованного модифицирования строительных материалов на примере каустического магнезита, используемая в учебном процессе при преподавании курса «Химия в строительстве».

2. Разработанный новый экологически эффективный состав цементной смеси на основе каустического магнезита использован при производстве плитных изделий ООО «Техстронг».

3. Полученные новые данные о влиянии модифицирующих добавок на физико-химические свойства материалов на основе каустического магнезита могут быть использованы в исследованиях в области неорганических вяжущих.

4. Новые данные о химическом взаимодействии микрокремнезема с каустическим магнезитом могут быть использованы в дальнейших исследованиях магнезиальных цементов.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях и семинарах: Научные чтения «Современные строительные материалы», посвященные памяти Г. И. Горчакова и 75-летию с момента основания кафедры «Строительные материалы»

МГСУ (Москва, 2009 г.); VII, VIII, IX, XI Всероссийские научно-практические и учебно-методические конференции «Фундаментальные науки в современном строительстве» (Москва, 2010, 2011, 2012, 2014 гг.); XIII и XIV Международные межвузовские научно-практические конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2010, 2011 гг.); Первый объединенный научный семинар кафедр общей химии и физики «Основы физикохимии процессов модификации строительных материалов» (Москва, 2012 г.); VII и VIII фестивали науки в Москве «Фестиваль строительных наук» (Москва, 2012, 2013 гг.); Second European Inorganic Chemistry Conference (Иерусалим, 2013 г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 14 печатных работах. Из них 11 - в изданиях, входящих в список рекомендованных ВАК.

Структура и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (131 пункт) и двух приложений. Работа изложена на 129 страницах, включая 23 рисунка и 25 таблиц.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цели и задачи исследования. Показана роль экологически обоснованного модифицирования строительных материалов как составной части создания устойчивой среды обитания, определены основные объекты исследований и отмечена научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе (литературном обзоре) рассматривается роль экологичных материалов в формировании устойчивой среды обитания. Обобщается опыт исследований в области экологически безопасного строительства и экологического управления в строительстве. Большой вклад в развитие этих направлений внесли Бьерн Берг, П.П. Жук, В. П. Князева, К. Линч, Д. Медоуз, А. Д. Потапов,

Н. Ф. Реймерс, Йорген Рандерс, М.Ю. Слесарев, М.В.Степанова, Ю. А. Табунщиков, В. И. Теличенко и др.

Отдельное внимание уделяется обзору систем экологической оценки строительных материалов. Автором показано, что все используемые сегодня системы экологической оценки (ЭО) зданий используют понятия «экологично-сти строительного материала», но оперируют лишь общими критериями: сделано из местных материалов, использованы возобновляемые материалы. В остальном принято, что экологичными считаются материалы, прошедшие процедуру сертификации по той или иной системе.

В первой главе также обобщается опыт использования каустического магнезита в строительной индустрии, рассматриваются структура и строение магнезиального камня, способы модификации вяжущего. Изучением закономерностей формирования структуры и свойств магнезиальных материалов занимались многие российские и зарубежные ученые: А. А. Байков, И. П. Выро-дов, В. В Зимич, Н. В. Зырянова, А. С. Каминаскас, И. С. Килессо, А. М. Кузнецов, Л. Я. Крамар, В. И. Сидоров, Е. С. Соловьева, С. Сорель, Б. Я. Трофимов, Ю. В. Устинова и др. Работы этих исследователей направлены в основном на расширение сфер применения магнезиального вяжущего, изучение процессов его гидратации, повышение прочности и стойкости к трещинообразованию магнезиального камня, увеличение его водостойкости. Однако вопросом экологически обоснованного модифицирования материалов на основе каустического магнезита практически никто не занимался.

В этой связи экологически обоснованное модифицирование строительных материалов (СМ) на основе каустического магнезита предлагается проводить согласно схеме, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Схема экологически обосиоваииого модифицирования строительного материала

Во второй главе изучаются методы повышения экологической эффективности плитных изделий из каустического магнезита и определяется круг потенциальных модифицирующих добавок.

Таким образом, согласно схеме, представленной на рис. 1, шаг 2, были выявлены параметры, ухудшающие экологическую эффективность материалов на основе каустического магнезита. Далее было предположено (рис. 1, шаг 3), что такие параметры могут быть изменены путем модифицирования свойств. Был произведен поиск потенциальных модифицирующих добавок (рис. 1, шаг 4). При оценке добавок по жизненному циклу (рис. 1, шаг 5) были учтены следующие факторы: используется ли в производстве данной добавки возобновляемое или невозобновляемое сырье; какие отходы образуются в процессе производства; какую нагрузку на окружающую среду несет производство добавки; как может вести себя добавка во времени, в экстремальных условиях (например, при повышении температуры).

На основании проведенной оценки по жизненному циклу (рис. 1, шаг 6) из выбранных добавок рекомендовано использовать щавелевую кислоту, мик-

рокремнезем, хризотил-асбест и избегать применения органических модифицирующих добавок.

Для изготовления образцов на основе каустического магнезита применялись следующие материалы: магнезиальное вяжущее: каустический магнезит (М§0) ПМК-75 (ОАО «Комбинат «Магнезит», Челябинская область, г. Сатка) ГОСТ 1216-87, ТУ 5745-004-70828456-2005; заполнитель: песок перлитовый (ПП) вспученный мелкий М-75 (ОАО «Стройперлит», Московская область, г. Мытищи) ГОСТ 10832-91; добавка в затворитель: бишофит (М£С12'6Н20) (БШ), производство ЗАО «Бишофит-Авангард», Волгоградская область, г. Светлый Яр, ТУ 2152-001-53561075-02; модифицирующие добавки: редиспергируемый полимерный порошок на основе сополимеров винилацетата и винилверсатата марки Утау11 WW 102 (РПП); поливинилацетатная дисперсия (ПВА) ГОСТ 18922-80; натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) ТУ 2231-03479249837-2006; микрокремнезем (МК) конденсированный уплотненный МКУ-85 (ОАО «Кузнецкие ферросплавы» ОСП «Юргинский ферросплавный завод», Кемеровская область, г. Новокузнецк) ТУ 5743-048-02495332-96; хризотил-асбест (ХА) ГОСТ 4204-77; ортофосфорная кислота 85 масс. % концентрации марки «ч» (ФК) ГОСТ 6552-80; щавелевая кислота (ЩК) ГОСТ 22180-76; серная кислота (СК) ГОСТ 2184-77. Для исследований были изготовлены образцы из составов, представленных в таблице 1, в качестве образа сравнения использовался состав №11, разработанный на кафедре Общей химии ФБГОУ ВПО «МГСУ».

В качестве экологического метода анализа использовался анализ по жизненному циклу. Изучение физико-механических свойств образцов на основе разработанных составов проводилось в соответствии с требованиями действующих государственных стандартов на кафедрах общей химии и строительных материалов ФГБОУ ВПО «МГСУ». Исследования структуры и фазового соста-

ва образцов проводились с помощью методов рентгенофазового анализа на ди-фрактометре марки Thermo Scientific модели ARL X'TRA фирмы Thermo Electron SA и электронной микроскопии в НИИ строительных материалов и технологий ФГБОУ ВПО «МГСУ». Исследование взаимодействия между каустическим магнезитом и микрокремнеземом методом ИК-Фурье-спектроскопии проводилось на инфракрасном Фурье-спектрометре Nicolet iNIO на кафедре общей химии ФГБОУ ВПО «МГСУ».

Таблица 1

Составы, использованные для исследований_

№ состава Содержание компонентов, г

MgO БШ Вода ПП ФК ПВА РПП кмц ЩК ХА СК мк

1 100 170 97 80 - - - - -

2 100 135 83 80 - - - - - - -

3 100 170 96 80 10 30 - - - - - -

4 100 170 97 80 10 - 1 - - - - -

5 100 170 97 80 10 - 1,6 - - - - -

6 100 170 97 80 10 - 3,3 - - - -

7 100 170 97 80 10 - 5 - - - - -

8 100 170 97 80 10 - . 8 - - - -

9 100 170 97 80 10 - - 4 - - -

10 100 170 97 80 10 - - 2 - - - -

11 100 170 97 80 10 - - - - - - -

12 100 170 97 80 - - - - 10 - - -

13 100 36 13 - - - - - 2 5,8 -

14 100 36 13 - - - - - - 5 13,3 -

15 100 36 13 - - - - - - - - -

16 100 36 13 - - - - - - 2* 5,8 -

17 100 36 13 - - - - - - - 5 -

18 100 36 23 - - - - - 2 - -

19 100 - 32 - - - - - - - 3,5 -

20 100 - 32 - - - - - - - 3,5 20

21 100 - 32 - - - - - - - - 20

* Примечание: образец К» 15 был отмыт от следов серной кислоты

В третьей главе приводятся результаты исследований физико-механических свойств образцов, модифицированных выбранными добавками в соответствии со схемой (рис. 1, шаг 7), а также результаты расчета оптимального состава образцов на основе магнезиального вяжущего с добавкой хризотил-асбеста, модифицированного серной кислотой. Приводятся также результаты исследования образцов с добавкой хризотил-асбеста методом рентгенофазового

анализа. Результаты исследования физико-механических свойств материалов на основе каустического магнезита с полимерными добавками представлены в таблице 2. В ней контрольным образцом является состав № 1 без добавок. Из представленных данных видно, что увеличение доли каустического магнезита в цементной смеси (состав № 2) способствует незначительному росту прочности образующегося искусственного камня (=10%), однако приводит к увеличению водопоглощения по массе приблизительно в 2 раза.

Таблица 2

Физико-механические свойства образцов материала на основе каустического _магнезита, модифицированного полимерными добавками_

Физико-механические свойства Составы

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Средняя плотность, г/см' 1,10 1,05 0,84 0,99 1,01 1,01 1,02 1,06 0,92 0,80

Водопоглощение по массе, % 9,6 21,0 13,2 8,7 12,9 8,7 11,6 9,6 32,0 31,0

Открытая пористость, % 10,6 22,1 11,1 9,5 8,7 4,3 3,8 10,2 29,4 24,8

Предел прочности при сжатии сухого образца, МПа 5,9 6,1 2,7 5,9 4,3 5,3 6,3 6,0 2,7 -

Предел прочности при сжатии водонасыщенно-го образца, МПа 3,9 3,2 - 3,9 3,0 3,5 3,6 - - -

Коэффициент размягчения 0,66 0,52 - 0,66 0,70 0,66 0,57 - - -

Прочерком показаны результаты для образцов, разрушившихся без приложения нагрузки

Высокое водопоглощение по массе образца № 2, вероятнее всего, объясняется тем, что свободный оксид магния реагирует с водой с образованием нерастворимого гидроксида магния. Оптимальным количеством РПП является не более 1% от массы вяжущего (состав № 4). Дальнейшее увеличение содержания добавки (составы № 5-7) не приводит к значительному улучшению водостойкости образцов на основе магнезиального вяжущего, и значения коэффициента размягчения не превышают 0,8.

Введение натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) в количествах 2% и 4% от массы М§0 (составы № 8 и № 9) не приводит к снижению водопо-

глощения. Для образцов, содержащих 8% КМЦ (состав № 10), показатели во-допоглощения практически не превышают аналогичных значений для образца с добавкой ПВА (состав № 3). Следует отметить, что в составах № 1-10 в качестве заполнителя использовался вспученный перлитовый песок. Было предположено, что цементное тесто может проникать в поры заполнителя и закупоривать их, превращая открытую пористость в закрытую.

Для оценки влияния полимерных добавок на вымывание соединений магния образцы подвергались попеременному водонасыщению и высушиванию. Результаты исследований показали, что после выдерживания образцов в воде в течение 10 дней потери массы составляют 20-30%. Процесс высушивания при температуре 25±5°С занимает 7-10 дней, и дальнейшее выдерживание образцов в воде не приводит к изменению массы. Наименее стойкими к вымыванию оказались образцы, содержащие натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы. Вымывание соединений магния в образцах, содержащих ПВА и РПП, происходит примерно с одинаковой интенсивностью.

Далее было предложено заменить жидкую фосфорную кислоту, используемую в производстве магнезиальных вяжущих, на твердую (порошкообразную) щавелевую кислоту, взятую в эквимольных количествах по отношению к фосфорной кислоте. Результаты испытаний представлены в таблице 3. Из таблицы 4 видно, что замена фосфорной кислоты на более технологичную и дешевую щавелевую позволяет сохранить прочностные свойства образцов на основе магнезиального вяжущего на том же уровне.

Таблица 3

Свойства магнезиальных вяжущих с добавками фосфорной и щавелевой кислот

Физико-механические показатели Состав

11 12

Водопоглощение по массе, % 8,3 8,4

Предел прочности при сжатии сухого материала, МПа 6,5 6,9

Предел прочности при сжатии водонасыщенного образца, МПа 5,8 5,6

Коэффициент размягчения 0,89 0,80

С целью повышения экологической эффективности за счет использования отходов промышленности, повышения прочности и водостойкости строительных изделий на основе магнезиального вяжущего было предложено ввести в рецептуру хризотил-асбест, измельченный с серной кислотой.

В работе варьировалось содержание трех компонентов: хризотил-асбеста, серной кислоты и хлорида магния. Поэтому для расчета оптимального состава прибегали к методу математического планирования эксперимента. В качестве фактора было взято отношение: содержание хризотил-асбеста к серной кислоте и хлориду магния (рис. 2, рис. 3, рис. 4).

♦ попасть Ф.ыиа' *ях. Мял

—Поамкаю/ьмя

:ПЭОЧ»;к>Ь Э&рХШ»

чермсу!»«

я. Мм}

-у-

■ Прочно? 1ЬС(чШ№>Г «ЖЧЭДСНИи. МП.1

■Прочно<п>о6рэ

доаЗОсу пемечки. МП4 ) Я 18.}« 10.«** И37 )?«.*!«*■ „„..., '31.03

а*«о.г>г

0,06

б)

Рис. 2. Зависимость прочности образцов от отношения: содержание хризотил-асбеста к серной кислоте и хлорид магния: а)чсрезсуткитвердения;б) через 30 суток твердения

II "

; I >о

♦ Прочмоаьобрз}цоое 1ЮД01I асы щен н ом состоянии, МПа

-Логарифмическая

(Прочность образцов в «одоилсыщекном СОСТОЯНИИ, МПя )

у=0,75911п(х}+58.667 Р « 0,8266

H^S0^ х МдС1г

Рис. 3. Зависимость прочности образцов в водонасыщенном состоянии от отношения: содержание хризотил-асбеста к серной кислоте и хлориду магния

а)

Прочность образцов через сутки твердения, МПа

б)

Прочность образцов через J0 суток твердения, МПа

Рис. 4. Распределение плотности вероятности для образцов: а) через сутки твердения; б) через 30 суток твердения

Полученные результаты обрабатывались методом наименьших квадратов. Оптимальные составы образцов на основе каустического магнезита с добавкой хризотил-асбеста, измельченного с серной кислотой, представлены в таблице 1 (составы № 13 и № 14). Результаты испытаний показали следующее. Состав № 13: предел прочности при сжатии в сухом состоянии 20,5±0,1 МПа, то же в водонасыщенном - 19,5 МПа, коэффициент размягчения 0,89. Состав № 14: предел прочности при сжатии в сухом состоянии 22,0 МПа, то же в водонасыщенном - 18,7 МПа, коэффициент размягчения 0,85. Таким образом, при использовании хризотил-асбеста, измельченного с серной кислой, наблюдается увеличение коэффициента размягчения по сравнению с контрольным составом № 1 (табл. 5) в 1,3 раза. Для определения активной добавки в рассматриваемой системе были приготовлены образцы из составов № 15-18 (табл. 1, стр. 11) и проведены их испытания (таблица 4).

Таблица 4

Физико-механические показатели материалов на основе каустического

Физико-механические показатели Состав

13 14 15 16 17 18

Водопоглощение по массе, % 6,3 6,5 7,5 6,8 - 7,3

Предел прочности при сжатии сухого материала, МПа 20,5 22,0 29,5 22,5 30,6 30,4

Предел прочности при сжатии водонасьпценно-го образца, МПа 19,5 18,7 15,5 18,5 разрушен 17,0

Коэффициент размягчения 0,89 0,85 0,52 0,82 - 0,54

Из таблицы 4 следует, что введение в магнезиальное вяжущее только серной кислоты (состав № 17) или только хризотил-асбеста (состав № 18) не приводит к повышению водостойкости магнезиальных вяжущих. Для образцов на основе составов № 13, 14 и 16 наблюдается значительно увеличение коэффициента размягчения. Это позволяет предположить, что в данных составах активной добавкой является продукт измельчения хризотил-асбеста с серной кислотой. Для подтверждения полученных данных образцы на основе составов №13, 15, 16 были исследованы методом рентгенофазового анализа. Результаты исследований представлены на рис. 6, рис. 7, рис. 8.

На рентгенограмме, представленной на рис. 6, наблюдаются заметные пики магнезита М§С03 с межплоскостными расстояниями ё = (2.751; 2.110; 1.699; 1.466)-10"'° м. Это свидетельствует о том, что образование искусственного камня проходило во многом под действием углекислого газа воздуха. Рент-генофазовое исследование исходного порошка каустического магнезита не выявило присутствия пиков карбоната магния. Таким образом, магнезит не мог изначально присутствовать в исходном сырье и затем разложиться под действием серной кислоты.

Рис. 6. Рентгенограмма образца на основе каустического магнезита, затворенного водным раствором бишофита (состав № 15, табл. 1)

Рентгенограммы образцов с добавкой хризотил-асбеста, измельченного с кислотой, как в присутствии кислоты (рис. 7), так и отмытым от нее (рис. 8) практически идентичны. В них отсутствуют пики, характерные для карбоната магния, снижающего прочность искусственного камня. Это свидетельствует о том, что хризотил-асбест является не только наполнителем, но также участвует в процессе структурообразования искусственного камня.

1200_

800_ 400_ < Л j. < < ~ '<п § «* < < < гч * « * - i

0_

—-1--"1-'-Г-"-1-■-Г-«-—!-'-I-'-

lfi.fi 711.0 10.В 41).О im.fi Sll.ll 10.fi fifi.о

Рис. 7. Рентгенограмма образца на основе каустического магнезита, затворенного водным раствором бишофита с добавкой хризотил-асбеста, измельченного с серной кислотой (состав № 13, табл. 1)

Рис. 8. Рентгенограмма образца на основе каустического магнезита, затворенного водным раствором бишофита с добавкой хризотил-асбеста, измельченного с серной кислотой и отмытого от следов серной кислоты (состав № 16, табл. 1)

Были исследованы физико-механические свойства материалов на основе каустического магнезита с добавкой микрокремнезема и результаты изучения механизма взаимодействия каустического магнезита и микрокремнезема.

Результаты исследования физико-механических свойств материалов на основе каустического магнезита с добавкой микрокремнезема представлены в таблице 5.

Таблица 5

Физико-механические показатели материалов на основе каустического магне-_зита с добавкой микрокремнезема_

Физико-механические показатели Состав

19 | 20 | 21

Воздушное твердение

Водопоглощение по массе, % - 5,9 5,5

Предел прочности при сжатии сухого материала, МПа 9,8 14,1 10,0

Предел прочности при сжатии водонасыщенного образца, МПа - 19,9 21,0

Коэффициент размягчения - 1,4 2,1

Гидравлическое твердение

Водопоглощение по массе, % - 6,0 5,7

Предел прочности при сжатии сухого материала, МПа - 19,8 11,5

Предел прочности при сжатии водонасыщенного образца, МПа - 18,0 12,0

Коэффициент размягчения - 0,91 1,04

Из таблицы 5 видно повышение прочности образцов при твердении в воде. Выдвинута гипотеза, что причина - образование нерастворимой поликремниевой кислоты, которая кольматирует поровое пространство искусственного магнезиального камня. При этом возможно и химическое взаимодействие между основным М§0 и кислотным 8Ю2 оксидами, которое подтверждается методом РЖ-Фурье-спектроскопии (рис. 9-10). Данные спектры были интерпретированы с учетом предполагаемого химического взаимодействия с образованием соединения типа диопсида.

Колебания в области 1100-400 см"1 относят к области валентных колебаний Б! - О и - О - Здесь наблюдается характерный пик в интервале 1121-1119 см"1, который можно отнести к колебаниям связей 81 - О - 81, и пик в

интервале 474—472 см"1, характерный для валентных колебаний Б! - О - К^. Область 3700-3000 см"1 - валентные колебания группы ОН", 1650-1600 см"1 -деформационные колебания ОН-группы. На ИК-спектре образца, подвергнутого гидравлическому твердению, наблюдается пик при 3712 см"1, который, согласно литературным данным, относится к колебаниям гидроксильных групп вблизи иона а пик при 1654 см"1 относится к деформационным колебани-

ям ОН-групп. На основании полученных данных установлено, что магнезиальное вяжущее с добавкой микрокремнезема требует влажного твердения.

Рис. 9. ИК-спектр пропускания магнезиального камня гидравлического твердения

Рис. 10. ИК-спектр пропускания магнезиального камня воздушного твердения

Смесь каустического магнезита и микрокремнезема (6:1) может набирать высокую прочность на сжатие без затворения раствором серной кислоты или бишофита. Исследования методом электронной микроскопии (рис. 11) подтверждают, что структуры образцов с добавкой микрокремнезема, подвергнутых гидравлическому и воздушному твердению, практически идентичны в плане размера и плотности распределения пор.

Таким образом, разработанный состав сухой смеси на основе каустического магнезита можно затворять водой и подвергать гидравлическому твердению. Это позволит расширить области применения материалов на основе каустического магнезита, а также снять серьезное препятствие, мешающее широкому использованию цемента Сореля в строительстве, — оказание коррозионного действия на металлические конструкции за счет вымывания хлорид- или сульфат-аниона.

Рис. 11. Слева - электронная микрофотография образца, полученного затворением водой сухой смеси каустического магнезита и микрокремнезема (6:1), твердевшего на воздухе и подвергнутого затем водонасыщению и высушиванию. Справа — электронная микрофотография образца, полученного затворением водой сухой смести каустического магнезита и микрокремнезема (6:1), твердевшего в воде, а затем высушенного

В четвертой главе произведено сравнение рекомендаций предварительной экологической оценки на основе анализа жизненного цикла материала и входящих в его состав модифицирующих добавок, а также результатов испытания образцов материалов на основе каустического магнезита, модифицируемого исследуемыми добавками (Таблица 6).Наблюдается корреляция экологической оценки использования модифицирующих добавок с результатами испытаний. Полимерные добавки, получившие неудовлетворительную экологическую

20

оценку, не оказывают заметного влияния на водостойкость изделий из каустического магнезита. Рекомендуемыми для экологически обоснованного модифицирования из рассмотренных добавок являются микрокремнезем и измельченные с серной кислотой отходы хризотил-асбеста.

Таблица 6

Рекомендации по применению модифицирующих добавок к каустическому магнезиту

№ п/п Наименова-ние добавки Рекомендация на оценки добавки по жизненному циклу Коэффициент размягчения Итоговая рекомендация

1 РППВВ (УтауП) Избегать ~0 Избегать

2 ПВА Избегать ~0 Избегать

3 КМЦ По возможности избегать ~0 Избегать

4 Щавелевая кислота Применять 0,81. Применять

5 Хризотил-асбест, модифицированный серной кислотой Применять с осторожностью 0,89 Применять

6 Микрокремнезем Применять ~2 Применять

Оптимальные количества модифицирующих добавок. Щавелевая кислота - 10%, микрокремнезем - 17%, хризотил-асбест - от 2,5% до 5%, причем количество концентрированной кислоты для модификации должно превышать массу самого хризотил-асбеста в 1,5—2,5 раза.

Так же в четвертой главе перечислены материалы и методы исследования, используемые в диссертационной работе.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Экологически обоснованное модифицирование композиционных строительных материалов требует комплексного подхода. Необходима разработка методики экологически обоснованного модифицирования строительных материалов.

2. Разработан способ экологически обоснованного модифицирования строительных материалов на основе каустического магнезита, включающая предварительный экологический анализ модифицирующих добавок.

3. Применение каустического магнезита в строительстве ограничено низкой водостойкость искусственного камня на его основе. Материал с высокой водостойкостью существенно расширит области применения данного вяжущего и увеличит срок службы изделий из него.

4. На основании проведенной оценки по жизненному циклу установлено, что для экологически обоснованного модифицирования каустического магнезита можно рекомендовать щавелевую кислоту, микрокремнезем и хризотил-асбест и избегать применения полимерных модифицирующих добавок.

5. Разработан и оптимизирован новый экологически эффективный состав сухой смеси на основе каустического магнезита с микрокремнеземом, который способен отвердевать и сохранять прочность как на воздухе, так и в воде. Предел прочности при сжатии в сухом состоянии - 10 МПа; то же в водонасы-щенном — 21 МПа; коэффициент размягчения - свыше 1,0.

6. С применением метода ИК-спектроскопии подтверждено наличие химического взаимодействия между кислотным 8Ю2 и основным М§0 оксидами в разработанном составе на основе каустического магнезита с добавкой микрокремнезема.

7. Требуется комплексное исследование влияния на физико-механические свойства материалов на основе каустического магнезита широкого спектра добавок, в том числе полимерных добавок, отходов асбоцементных производств, щавелевой кислоты, микрокремнезема.

8. Показано, что полимерные добавки редиспергируемого полимерного порошка на основе сополимеров винилацетата и винилверсатата и натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы имеют неудовлетворительную экологическую оценку и не оказывают заметного влияния на водостойкость изделий из каустического магнезита.

9. Разработаны и оптимизированы составы материалов на основе каустического магнезита с добавкой хризотил-асбеста, обработанного серной кислотой, с пределом прочности при сжатии в сухом состоянии 20,5 МПа, а в во-донасыщенном - 19,5 МПа и с коэффициентом размягчения 0,89.

10. Осуществлено изготовление пробной партии разработанных путем экологически обоснованного модифицирования водостойких материалов на основе каустического магнезита с добавкой микрокремнезема в ООО «Тех-стронг» (г. Волгоград).

Публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Никифорова Т. П., Устинова Ю. В., Сидоров В. И., Насонова А. Е. Экологическая оценка плитных материалов на основе каустического магнезита по их жизненному циклу. - Вестник МГСУ, 2010, № 1. - С. 288-294.

2. Устинова Ю. В., Насонова А. Е., Козлов В. В. Повышение водостойкости магнезиальных вяжущих. — Вестник МГСУ, 2010. № 4, т. 3. - С. 123-127.

3. Козлов В. В., Устинова Ю. В., Насонова А. Е., Боброва В. И. Водостойкость материалов на основе каустического магнезита, модифицированного отходами асбоцементных производств. - Вестник МГСУ, 2011, № 1, т. 2. - С. 288-291.

4. Никифорова Т. П., Устинова Ю. В., Козлов В. В., Насонова А. Е. Исследование взаимодействия каустического магнезита с добавкой хризотил-асбеста. — Вестник МГСУ, 2011,№4.-С. 169-173.

5. Козлов В. В., Устинова Ю. В., Насонова А. Е., Боброва В. И. Определение оптимальных составов магнезиальных вяжущих с добавкой хризотил-асбеста, модифицированного серной кислотой. - Вестник МГСУ. 2011, № 8. - С. 254-259.

23

6. Устинова Ю. В., Насонова А. Е., Никифорова Т. П., Козлов В. В. Исследование взаимодействия каустического магнезита с добавкой микрокременезема. -Вестник МГСУ, 2012, № 3. - С. 100-104.

7. Устинова Ю. В., Насонова А. Е., Никифорова Т. П., Козлов В. В. Магнезиальные вяжущие с добавкой микрокремнезема. - Вестник МГСУ, 2012, № 7. -С. 147-151.

8. Насонова А. Е., Князева В. П., Жук П. М. Анализ систем экологически обоснованного выбора строительных материалов. - Экология урбанизированных территорий, 2012, № 4. _ с. 93-98

9. Устинова Ю. В., Насонова А. Е. Методология экологической оценки строительных материалов. — Вестник МГСУ, 2013, № 2. - С. 123-129.

10. Насонова А. Е. Применение методологии экологической оценки к процессу моделирования свойств строительных материалов. - Научно-технический вестник Поволжья, 2013, № 3. - С. 218-220

11. Устинова Ю. В., Насонова А. Е. Сопоставление нормативной базы в области экологического строительства и профессионального и общественного интереса к данной теме. - Экология урбанизированных территорий, 2013, № 3. -С.120-124.

Подписано в печать: 01.10.2014 Объем: 1,0 усл. п. л. Тираж: 100 шт. Заказ № 067 Отпечатано в типографии «Реглет» 125009, г. Москва, Страстной бульвар, д. 4 +7(495)978-43-34; www.reglet.ru