Развитие нанотехнологий в строительстве - актуальнейшая задача ученых и инженеров. Часть 5

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров. Часть 5

Актуальность

Проблема строительно-технологической утилизации техногенных отходов, несмотря на осуществленные научные и инженерные разработки, до сих пор не решена. Неиспользуемые отходы оказываются источниками загрязнения экосистем. Это приводит к закономерному ухудшению качества жизни и параметров биосферно-совместимой безопасной среды обитания человека. Ситуация осложняется тем, что в обозримом будущем не существует предпосылок для существенного сокращения образования отходов. Так, на отечественных металлургических предприятиях для производства 1 т стали как целевого продукта в технологический процесс вовлекается до 10 т природных ресурсов. В результате металлургическое производство сопровождается образованием различных крупнотоннажных отходов [1].

При утилизации отходов металлургии в поле зрения ученых и инженеров оказалась лишь часть их. В большинстве случаев разработки касались доменных гранулированных шлаков, которые достаточно полно вовлечены в производство строительных материалов и изделий. За пределами рассмотрения оказались такие грубо-, микро- и нанодис-персные отходы, как конвертерные шлаки, металлургические шламы, пыли и другие твердые побочные технологические продукты, являющиеся потенциально полезными для использования их в стройиндустрии.

При решении проблемы утилизации ставятся 2 взаимосвязанные задачи: предотвращение негативного воздействия отходов на окружающую среду и обеспечение стройиндустрии и промышленности по производству строительных материалов и изделий вторичным сырьем.

Цель исследования – разработка технологических и технических решений по комплексной утилизации малоиспользуемых металлургических отходов в стройиндустрии на основе научных концепций и за-

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров. Часть 5

кономерностей структурообразования систем твердения и композиционных материалов.

Все разновидности отходов металлургии проходят определенные генезисные агрегатные, фазовые и вещественные преобразования при получении целевого продукта. Отходы, отличаясь химическим, минеральным, морфологическим составом и термодинамическим состоянием, являются носителями определенных, в том числе специфических характеристик и свойств. И именно это делает их потенциально интересными для формирования систем твердения и структур композитов общестроительного и функционального назначения.

Научная новизна

• 1.    Определен строительно-технологический потенциал малоиспользуемых отходов металлургии на основе метода тестирования, диагностики и идентификации техногенных материалов по признакам структурообразующей роли в системах твердения и композитах, что послужило основой формирования территориально-промышленного комплекса региона с развитой металлургической промышленностью.

• 2.    Развиты теоретические представления о механизмах участия техногенных продуктов в структурообразовании систем твердения и строительных композитов. Выявлены отходы, обладающие самостоятельной активностью (конвертерные шлаки и т.п.), высокой огнеупорностью (до 1850^оС) и содержащие до 18% тонкодисперсных металлических составляющих, являющиеся техногенными песками и щебнем.

• 3.    Установлено, что для комплексного использования отходы металлургии должны быть переработаны с учетом их структурообразующей роли в строительных композитах (например, предлагаемая система пневмосепарации конвертерных шлаков позволяет использовать их металлическую часть в полимерных герметиках, а тонкодисперсную силикатную составляющую – в системах твердения строительных материалов).

• 4.    Установлено, что самостоятельная активность конвертерных шлаков (не превышающая 9 МПа) реализуется за счет баланса кислотных и щелочных оксидов, а также в результате взаимодействия с водой активных составляющих шлака – двухкальциевого силиката ( β -модификации – ларнита) и четырехкальциевого алюмоферрита. Раз-

  
• А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров. Часть 5

• 5.    Для активации конвертерных шлаков, относящихся к основным (модуль основности достигает 2,8), может быть эффективно использована его механохимическая обработка совместно с аспирационной пылью ферросплавного производства, имеющей коэффициент основности 0,1.

• 6.    Получены системы твердения оптимального состава путем совместного помола конвертерных шлаков экономически обоснованной удельной площадью поверхности 300 м²/кг с суперпластификаторами и нанодисперсными минеральными добавками. В результате снижается межзерновая пустотность частиц вяжущего, повышается реакционная способность частиц шлака, что приводит к значительному повышению прочности.

• 7.    Получены системы твердения на основе конвертерных шлаков, прочность при сжатии которых достигает 50 МПа за счет комплекса современных методов и приемов физико-химической активации. При этом оптимизация составов систем твердения, целенаправленное формирование структур (с анализом количественного и морфологического состава новообразований, а также характера пористости) и управление технологическими параметрами позволило получить матрицы, обладающие огнеупорностью до 1800^оС и герметизирующими свойствами.

• 8.    Реализована возможность использования отвальных конвертерных шлаков при возведении насыпей и оснований дорог. Установлена возможность интенсификации процессов структурообразования и улучшения свойств асфальтобетонных композиций за счет применения в их составах конвертерных шлаков. Подтверждена возможность получения плотных и долговечных асфальтобетонов на пористых шла-

• А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров. Часть 5

• 9.    Обоснованы критерии эффективности материалов и изделий на основе отходов металлургии, учитывающие не только функциональную эффективность, но и экономическую, экологическую и социальную значимость разработок.

работаны оптимальные составы матричных компонентов строительных композитов с учетом настоящего уровня переработки отходов и потенциально возможного в будущем на основе анализа свойств, проявленных системами твердения разного уровня.

Установлена эффективность наполнения и модифицирования цементных вяжущих тонкодисперсными конвертерными шлаками и нанодисперсными пылями ферросплавного производства, заключающаяся в возможности замены цемента в составе композиционного вяжущего до 80%, обеспечении более глубокого взаимодействия компонентов с гидрооксидом кальция, выделяющимся при гидратации клинкерных минералов цемента, повышения эксплуатационных характеристик.

ковых заполнителях с использованием в качестве минерального порошка отходов металлургии.

Практическая значимость и реализация работы определяется возможностями решения прикладных задач материаловедения и технологии строительных материалов, изделий и конструкций на основе шлаков и других отходов металлургического производства. Результаты исследований позволили:

• •    предложить составы строительных композитов общестроительного назначения на основе конвертерных шлаков, других ультра-дисперсных (металлургических пылей и шламов) и зернистых отходов металлургии для сухих строительных смесей, цементных мелкозернистых бетонов, а также силикатных материалов;

• •    разработать композиты специального назначения на основе отходов

(жаростойкие цементные бетоны на основе тонкомолотых добавок из доменных шлаков, шамота и гидрата глинозема с использованием в качестве заполнителей шлаковой пемзы и отходов огнеупорного производства; герметизирующих магнитных композиций с использованием конвертерного шлака в качестве ферромагнитного наполнителя;

• •    обосновать технологию использования конвертерных шлаков в насыпях и основаниях для автомобильных дорог и в составах асфальтобетонов с разработкой Рекомендаций по технологии применения конвертерных шлаков в элементах конструкций дорожных одежд из асфальтобетона;

• •    разработать Технологический регламент по производству изделий и конструкций из жаростойкого бетона.

Результаты исследований внедрены на предприятиях металлургической промышленности (ОАО «Новолипецкий МК») и предприятиях стройиндустрии Липецкого региона (ОАО «Завод Железобетон», ООО «Техно-Серик», ОАО «Липецкий комбинат силикатных изделий», ООО «Автобан-Липецк») и используются в учебном процессе.

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров. Часть 5

Апробация работы

Результаты проведенной работы представлены и обсуждены на V, XV Академических чтениях РААСН (Воронеж, 1999; Казань, 2010); V Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2005); Международной научно-практической конференции «Оценка риска и безопасность строительных конструкций» (Воронеж, 2006); Международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пенза, 2008); Международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве» (Воронеж, 2008); Международной научно-практической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре» (Липецк, 2007); Международной научно-технической конференции «ДОР-СМ: материалы для дорожного строительства» (Москва, 2009), Международной научно-технической конференции «Создание среды жизнедеятельности биосферно-совместимой и развивающей человека» (Орел, 2009); Международной научно-технической конференции «Наука и образование: архитектура, градостроительство и строительство» (Волгоград, 2010); ежегодных научно-практических конференциях ВГАСУ и ЛГТУ (2000–2011) и др.

Публикации

Содержание диссертации опубликовано в 54 научных статьях и 5 монографиях, в том числе из них 12 статей – в ведущих рецензируемых изданиях, получено 2 патента.

Достоверность научных результатов обеспечивается концептуально-методологически и методически обоснованным комплексом системных исследований с помощью механизмов и по существу процессов структурообразования; корректной постановкой экспериментальных исследований; статистической обработкой с заданными вероятностью и необходимым количеством повторных испытаний; сопоставлением результатов, полученных разными методами.

А.И. КАРПОВ Развитие нанотехнологий в строительстве – актуальнейшая задача ученых и инженеров. Часть 5

Редакция Интернет-журнала «Нанотехнологии в строительстве» предлагает кандидатам и докторам наук публиковать результаты своих исследований по тематике издания [2] на страницах нашего журнала.