РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАГНЕЗИАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Мирюк О.А.
ORCID: 0000-0001-6892-2763, Доктор технических наук, Рудненский индустриальный институт
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАГНЕЗИАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация
Разработаны составы и основы технологии магнезиальных композиций зернистой, волокнистой и комбинированной структуры. Обоснован выбор техногенных компонентов, обеспечивающий направленное формирование структуры композиции. Магнезиальные композиции рекомендованы для изготовления малых архитектурных форм, стеломагнезитового листа и блоков из полистиролбетона. Сформулированы принципы ресурсосбережения для технологии магнезиальных композиций, отражающие преимущества и перспективы разработанных материалов.
Ключевые слова: ресурсосбережение, магнезиальная композиция.
Miryuk O.A.
PhD in Engineering, Rudny Industrial Institute
THE RESOURCE-SAVING OF TECHNOLOGY OF COMPOSITE MAGNESIUM MATERIALS
Abstract
The composition and basis of magnesium compositions technology of grain, fiber and combined pattern were developed. The choice of technogenic components, providing the targeted formation of composition structure is proved. Magnesium compositions are recommended for creating hardscaping, magnesium oxide wallboard and blocks made of polystyrenes concrete. The resource-saving principles for magnesium compositions technology, reflecting the advantages and prospects of the developed materials.
Keywords: resource-saving, magnesium composition.
Повышение эффективности современного строительства основано на широком применении прогрессивных научно-технических достижений; инновационных ресурсосберегающих технологий строительной индустрии; последовательном сокращении расхода сырьевых, топливно-энергетических и трудовых ресурсов на производство строительной продукции.
Ресурсосбережение – комплекс методов и процессов, сопровождающих все этапы жизненного цикла строительного материала и направленных на рациональное использование и экономное расходование ресурсов. Ресурсосбережение – цель, средство и подход при создании новых эффективных строительных материалов, при разработке и совершенствовании технологии производства и применения строительной продукции. Ресурсосбережение в технологии строительных материалов основано на глубоких знаниях законов развития природы, закономерностей преобразований вещества и энергии [1].
Разработаны материалы мелкозернистой, волокнистой и комбинированной структур с использованием смешанного магнезиального вяжущего, содержащего каустический магнезит и минеральный наполнитель. Технология получения магнезиальных композиций предусматривает оптимизацию рецептуры и технологических приемов приготовления многокомпонентных формовочных смесей, содержащих техногенные отходы различного вещественного и дисперсного состава и обеспечивающих ресурсосбережение [2].
Цель исследования – разработка принципов ресурсосбережения технологии, позволяющих обобщить зависимости, выявленные для отдельных материалов, и распространить на все композиции.
Технико-экономическая оценка рецептур и основ технологии разработанных композиционных материалов позволила выделить основные технические и технологические преимущества новых материалов.
Разработаны магнезиальные композиты зернистой структуры на техногенном заполнителе, представленном многотоннажными отходами обогащения скарново-магнетитовых руд. Выявлено определяющее влияние фракционного состава заполнителя на технологические свойства формовочных масс, структуру и физико-механические характеристики композиционного материала. Методами математического планирования эксперимента оптимизирован фракционный состав техногенного мелкозернистого заполнителя, при котором достигнуты наибольшие значения насыпной плотности заполнителя и компактная упаковка частиц в структуре композиционного материала [4]. Магнезиальные композиции мелкозернистой структуры с наполнителем рекомендованы для изготовления элементов благоустройства. Разработана технологическая схема производства малых архитектурных форм на примере вазона. Технологическая схема включает измельчение техногенного материала – отходов обогащения скарново-магнетитовых руд – с последующей классификацией дробленой массы на вибрационных грохотах. Фракции дробленого материала 0,14 – 0,315 мм и 0,63 – 1,25 мм предназначены для заполнителя магнезиальных композиций, фракция частиц 0,00 – 0,14 мм направляется на совместный помол с каустическим магнезитом для получения смешанного магнезиального вяжущего.
Магнезиальные композиции мелкозернистой структуры с наполнителем характеризуются рациональным комплексным использованием одного вида техногенного материала (наполнитель в смешанном вяжущем, заполнитель бетонной смеси), минимизацией доли каустического магнезита – 25 % массы твердой части; заменой дорогостоящего портландцемента бесклинкерным вяжущим, заменой природного заполнителя техногенным песком. Расчетная себестоимость изделия снижена на 32%.
Показана возможность замены каустического магнезита гипсомагнезиальным вяжущим с содержанием строительного гипса до 40 %. Выразительная адгезионная способность и высокое активизирующее воздействие магнезиальных вяжущих обеспечивают возможность использования техногенных материалов волокнистого и зернистого строения в композициях. Исследование влияние размера древесных частиц на свойства магнезиальных композиций показало, что введение 20% древесного компонента сопровождается снижением плотности в 1,2 – 1,4 раза. Для обеспечения удобоукладываемости сырьевой массы с волокнами предпочтительны тонкие фракции древесных частиц (не более 1,25 мм), что сопровождается повышением удельной поверхности армирующего компонента и необходимостью присутствия не менее 30% вяжущего в композициях. Установлена целесообразность введения зольной микросферы в волокнистые композиции. Введение до 50% полых частиц сопровождается уменьшением плотности материала почти в 2 раза. Гипсомагнезиальные композиции комбинированной волокнистой структуры с пустотелым мелкодисперсным заполнителем рекомендованы в качестве сырьевой массы при формовании основы стекломагнезитового листа.
Технология производства стекломагнезитового листа предусматривает: получение гипсомагнезиального вяжущего с содержанием строительного гипса 25 %. В качестве комбинированного заполнителя использована масса из древесных опилок фракции 0,14 – 0,315 мм и зольной микросферы. Регулирование состава формовочной гипсомагнезиальной массы с комбинированным заполнителем можно получать материалы с широким интервалом свойств: средняя плотность 850 – 1450 кг/м3, прочность при сжатии 3 – 40 МПа с учетом состава вяжущего и заполнителя. Гипсомагнезиальные композиции комбинированной волокнистой структуры с пустотелым мелкодисперсным заполнителем характеризуются снижением доли каустического магнезита; комплексным использованием различных видов техногенных материалов; заменой малодоступного перлита зольной микросферой, исключением из смеси пенообразователя. Затраты на сырье снижаются на 10 %.
Показана целесообразность формирования комбинированной структуры магнезиального полистиролбетона за счет введения в формовочную массу частиц микросферы и древесных частиц. Магнезиальные композиции комбинированной структуры на основе органоминерального поризованного волокнисто-зернистого заполнителя рекомендованы для изготовления стеновых теплоизоляционных блоков. Технология предусматривает: подготовку многокомпонентной формовочной смеси подвижной консистенции, заполнение ее форм, тепловую обработку и последующую распалубку изделий. Подготовка однородной нерасслаиваемой смеси предусматривает поэтапное введение в магнезиально-хлоридную суспензию составляющих заполнителя в порядке возрастания размера частиц: микросфера, древесных опилок фракции 0,63 – 0,315 мм; гранулы пенополистирола диаметром 3 – 5 мм.
Магнезиальные композиции комбинированной структуры на основе органоминерального поризованного волокнисто-зернистого заполнителя характеризуются многообразием техногенных компонентов, сочетаемым в составе одной композиции; рациональным использованием отслужившей пенополистирольной упаковки, которую подвергают измельчению и используют взамен гранул, изготавливаемым по энергоемкой технологической схеме; вытеснением дорогостоящего портландцемента из формовочной массы; затраты на сырьевые материалы снижены на 32 %.
Анализ результатов экспериментов, технологических решений, технико-экономических расчетов позволил сформулировать принципы ресурсосбережения для разработанных магнезиальных композиций.
Принцип 1 – максимальная реализация уникальных свойств магнезиального вяжущего в композициях. Реализация принципа направлена на развитие технологии получения и применения конкурентоспособных магнезиальных материалов с использованием многочисленных отходов.
Принцип 2 – использование сырьевых материалов с малой энергоемкостью технологических процессов. Принцип реализуется в создании композиционных материалов на основе каустического магнезита – вяжущего, характеризующегося сравнительно низкими затратами на основные технологические процессы. При этом следует учесть, что для получения строительных материалов применяют каустический магнезит – пыль, уловленную на огнеупорном производстве. Другие компоненты разработанных композиций являются также попутными продуктами различных производств: отходы обогащения скарново-магнетитовых руд – наполнитель и заполнитель мелкозернистых композиций; зольная микросфера и регенерированные гранулы пенополистирола – поризованные заполнители композиций; древесные опилки – волокнистый заполнитель.
Принцип 3 – целенаправленный выбор сырьевых компонентов. Принцип базируется на высоком активизирующем воздействии магнезиального вяжущего, способном обеспечить участие практически всех материалов кремнеземистого, алюмосиликатного, железистого составов в процессах структурообразования композиций. Принцип обоснованного выбора сырьевых техногенных материалов для смешенных магнезиальных вяжущих, учитывающий химический и минеральный состав отходов, реализован в исследованиях. Показана целесообразность и подтверждена возможность повышения магнезиальной активизации гидратационных свойств техногенных материалов за счет термической обработки, химического модифицирования с участием сульфата кальция, с помощью методов физического воздействия на каустический магнезит и затворитель. В основе разработки способа приготовления смешанного вяжущего – рациональные сочетания компонентов, предварительная обработка требующих активизации компонентов, обеспечение первичного контакта компонентов при приготовлении вяжущей композиции. Предложенный подход обоснованного выбора техногенного сырья сформулирован на основе анализа результатов исследования гидратообразования модельных вяжущих из оксидов, на основе отдельных ранее не изученных минералов техногенного сырья. Целенаправленный выбор сырья обеспечивает высокую чувствительность техногенного компонента к магнезиальному воздействию.
Принцип 4 – комплексное использование техногенных материалов. Принцип предполагает совмещение в одной композиции различных видов отходов, а также многоцелевое применение сложного по составу нового сырья в составе композиции. Пестрый состав и многообразие генезиса придают промышленным отходам полифункциональность. Многоэтапное измельчение зернистых отходов с отделением заданных фракций частиц обеспечит получение целого ряда полезных продуктов. Выделяемые из общей массы частицы с повышенной прочностью и твердостью целесообразны для использования в качестве заполнителя.
Принцип 5 – минимизация доли каустического магнезита. Принцип реализуется за счет оптимизации вещественного состава формовочной массы, снижения межзерновой пустотности в композициях. В частности, введение наполнителя, заменяющего до 50 – 70 % каустического магнезита; формирование комбинированной структуры материала, основанное на использовании заполнителей различного размера и формы.
Принцип 6 – активизация сырьевых компонентов. Принцип предусматривает использование всевозможных технологических приемов, направленных на повышение реакционной способности компонентов формовочной массы. Принцип реализуется, в первую очередь, при использовании активизирующего магнезиальнохлоридного воздействия на наполнители смешанного вяжущего, поверхность частиц заполнителя. Принцип реализуется при выборе рационального способа приготовления формовочной массы, обеспечивающего первичный контакт компонентов и способствующий максимальному использованию полезных свойств техногенных сырьевых материалов.
Принцип 7 – разработка методов формирования направленной структуры композиционных магнезиальных материалов. Свойства композиционных материалов определяются структурами различного уровня. Формирование структуры зависит от состава и состояния сырья.
Проблемы ресурсосбережения решаются в разработке рецептур и оптимизации процесса перемешивания многокомпонентных формовочных масс, эффективных приемов повышения магнезиальной активизации при комплексном использовании техногенного сырья. Экономическая оценка результатов исследований подтверждает целесообразность комплексного использования техногенного сырья в магнезиальных композитах.
Вывод. Разработанные рецептуры формовочных масс способны обеспечить технологии магнезиальных композиций ресурсосбережение.
Технологический аспект ресурсосбережения предполагает разработку, развитие и совершенствование процессов изготовления и реализации магнезиальных композиций.
Ресурсосберегающие процессы основаны на максимальном сбережении сырьевых и энергетических ресурсов на всех этапах производства и использования магнезиальных композиционных материалов.
Разработка магнезиальных композиционных материалов направлена на расширение ассортимента современных эффективных материалов; рациональное использование природных и техногенных ресурсов путем глубокой переработки сырья.
Литература
- Баженов Ю. М., Демьянова В. С., Калашников В. И. Модифицированные высококачественные бетоны.– М.: АСВ, 2006.– 368 с.
- Мирюк О. А. Магнезиальные композиты различной структуры / // Известия ВУЗов. Строительство. – 2015. – № 5. – С. 30 –37.
- Мирюк О.А. Ресурсосбережение в технологии строительных материалов: учеб. пособие. – Рудный: РИИ, 2011. – 257 с.
- Мирюк О.А. Магнезиальные композиции с использованием техногенных материалов // Технологии бетонов. – 2015. – № 5/6. – С. 9 – 13.
References
- Bazhenov Ju. M., Dem'janova V. S., Kalashnikov V. I. Modificirovannye vysokokachestvennye betony.– M.: Izd-vo ASV, 2006.– 368 s.
- Mirjuk O. A. Magnezial'nye kompozity razlichnoj struktury // Izvestija VUZov. Stroitel'stvo. – 2015. – № 5. – S. 30 –37.
- Mirjuk O.A. Resursosberezhenie v tehnologii stroitel'nyh materialov: ucheb. posobie. – Rudnyj: RII, 2011. – 257 s.
- Mirjuk O.A. Magnezial'nye kompozicii s ispol'zovaniem tehnogennyh materialov // Tehnologii betonov. – 2015. – № 5/6. – S. 9 – 13.