Геополимерные вяжущие материалы

.

 

Министерство образования республики Беларусь

Белорусский национальный технический университет

 

 

 

 

КАФЕДРА ХИМИИ

Реферат на тему:

«Геополимерные вяжущие материалы»

 

 

 

 

 

 

 

 

Исполнитель: студент гр. ................................

подпись, дата...................................................

Руководитель: .................................................

подпись, дата ..................................................

 

 

Минск 2014

Введение

Создание предприятий, производящих строительные материалы,  изделия и конструкции по энерго- и ресурсосберегающим технологиям, –ключевая задача модернизации строительной отрасли. С учетом того, что строительная индустрия является одной из наиболее ресурсоемких отраслей, разработка технологий, позволяющих использовать промышленные отходы в качестве сырья для производства строительных материалов, – одна из наиболее важных задач развития инновационной экономики.

Бо́льшая часть современных технологий была создана в тот период

формирования промышленности, когда человечество не испытывало острого дефицита природных ресурсов, а главной проблемой было наращивание объема производства. В истории развития промышленности можно найти много примеров, когда интенсивный рост производства наносил катастрофический вред не только природе, но и человеку, так как разрушал среду его обитания, отравляя воздух и воду.

Постоянно возрастающие  требованиями к повышению  экологической чистоты и энергоэффективности промышленности строительных материалов, а  также усиление  ее утилизационной роли предопределяют интенсивность исследований в области создания бесцементных вяжущих и материалов на их основе с использованием отходов топливной промышленности[1]. 

Создание новых ресурсосберегающих технологий – сложная задача, для решения которой требуются значительные интеллектуальные и финансовые затраты. Наибольших успехов на этом пути добились промышленно развитые страны. Это связано со значительным научно-техническим потенциалом, имеющимся в этих государствах, истощением природных сырьевых ресурсов, колоссальными объемами различных отходов, а также тщательно продуманной государственной политикой в этой области. Для многих государств Западной Европы развитие ресурсосберегающих технологий является одной из приоритетных задач[2].

Наша страна пока отстает в области разработки и использования энерго- и ресурсосберегающих технологий. Не многие предприятия могут вкладывать средства в проведение дорогостоящих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание ресурсосберегающих технологий, особенно с учетом того, что не всегда эти работы заканчиваются успехом[1].

В этом реферате рассмотрены научно-технические основы разработки энерго- и ресурсосбережения технологий путем использования геополимерных вяжущих материалов.

 

 

1. АКТУАЛЬНОСТЬ И ИСТОРИЯ РАЗРАБОТКИ

ГЕОПОЛИМЕРНЫХ ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ,

ВИДЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ

Современный уровень развития цивилизации основан на промыш-

ленном производстве, которое использует колоссальные объемы мине-

рально-сырьевых и энергетических ресурсов нашей планеты. Масштабы

воздействия хозяйственной деятельности человека на окружающую среду

сопоставимы с геологическими процессами.

В мире добывается более 100 млрд тонн сырья в год, из которых менее десятой части используется в качестве полезного продукта, а остальное

накапливается в виде отходов на свалках, хранилищах, захоронениях,

         полигонах.

Изменения в природной среде, которые особенно заметны в городах,

местах добычи полезных ископаемых и около крупных предприятий, а

также вдоль транспортных путей, значительно ухудшили качество среды

         обитания человека. Этот фактор, а также исчерпание традиционных

источников сырья и накопление отходов ставят под сомнение дальнейшее

         развитие нашей цивилизации.

        Цель  этой работы – исследовадать пути решения переработки отходов, узнать новые перспективные вяжущие вещества.

Ресурсосбережение в строительстве и промышленности строительных

материалов развивается в настоящее время по следующим направлениям:

• замена природного сырья на промышленные отходы, в результате

   чего снижается потребление природных минерально-сырьевых ресурсов, при этом реализуется дополнительный экологический эффект –   ликвидируются промышленные свалки;

• повышение технико-строительных характеристик продукции,

  например прочности строительных материалов или несущей способности

  конструкций, что позволяет снизить их материалоемкость;

• увеличение долговечности материалов, что обеспечивает повышение

  срока эксплуатации и затрат на ремонтно-восстановительные работы;

• проектирование зданий, сооружений и отдельных строительных

  конструкций с новыми возможностями для их модернизации, реконструкции и ремонта.

Решением разнообразных, но часто взаимосвязанных задач энергосбережения занимаются специалисты различных профилей, которые используют специфические методы. В промышленности строительных материалов наиболее перспективный путь снижения энергоемкости производства – это замена портландцемента на безобжиговые вяжущие щелочной активации. Развитие таких вяжущих началось еще в тридцатые годы двадцатого века, когда в условиях острого дефицита цемента велись поиски других, более дешевых вяжущих на основе промышленных отходов. Однако системные исследования безобжиговых вяжущих начались только в пятидесятые годы прошлого века, когда В.Д. Глуховский и его сотрудники создали сначала материалы под названием «грунтосиликат», а затем шлакощелочное вяжущее и бетоны.(шлак*-см. приложение)

Шлакощелочные вяжущие разрабатывались не как альтернатива портландцементу, а как дешевый материал, способный увеличить общий объем производства строительных вяжущих. Однако в процессе практического применения было установлено, что шлакощелочное вяжущее по ряду характеристик превосходит портландцемент; в частности, при производстве бетона допускалось использование менее качественных заполнителей. Кроме того, возможно получение более прочных и жаропрочных бетонов.

Исследование и опытно-промышленное производство шлакощелочного и других безобжиговых вяжущих активно велись вплоть до начала девяностых годов прошлого века. После уменьшения объемов строительства, которое наблюдалось в период экономического кризиса 1990-х годов, интерес к безобжиговым ресурсосберегающим вяжущим и бетонам на их основе заметно снизился.

Новый этап в развитии безобжиговых вяжущих – создание и исследование с начала девяностых годов двадцатого века учеными Пензенского ГУАС под руководством В.И. Калашникова глиношлаковых вяжущих. Ими было установлено, что замещение до 40 % шлака измельченной глиной практически не приводит к снижению прочности комплексного вяжущего. Исследования показали, что количество щелочного активатора может быть уменьшено при условии снижения водовяжущего отношения, что обеспечивает достаточную концентрацию щелочи в жидкой фазе.

Сокращение расхода воды приводило к ухудшению удобоукладываемости смеси, что ограничивало область применения малощелочных вяжущих приготовлением жестких смесей для производства мелкоштучных изделий методами прессования или вибропрессования.

В результате дальнейших исследований были получены минерально-

шлаковые вяжущие на основе карбонатных, гравелитовых и других осадочных горных пород, таких, как песчаник, глауконит, халцедон. В зависимости от содержания в вяжущем горных пород такие вяжущие классифицируются на минерально-шлаковые, геошлаковые и геосинтетические.

В Казанском ГАСУ под руководством Р.З. Рахимова начиная с середины двухтысячных годов ведутся разработка и исследование шлакощелочных строительных материалов на основе доменных шлаков и кремнеземистых и алюмосиликатных минеральных добавок природного и техногенного происхождения. В состав этих вяжущих, названных композиционными шлакощелочными вяжущими, вводится до 20 % молотого кварцевого песка, боя керамического кирпича, отработанной формовочной смеси, цеолита и других природных и техногенных материалов.

История развития геополимерных материалов связана с именами французского ученого J. Davidovits  и японских исследователей Iwahiro, Y. Nakamura, R. Komatsu, K. Ikeda, заложивших основы технологии геополимеров. В трактовке Джозефа Давидовича под геополимером следует понимать материал, обладающий повышенным содержанием SiO2 и Al2O3, например, микрокремнезем или метокаолин, активированный сильнощелочным раствором. Murayama и другие доказали, что ион OH- в щелочном растворе влияет на степень растворения Si4+ и Al3+, содержащихся в алюмосиликатных материалах [3].

Работы зарубежных ученых направлены на замену самого распространенного современного гидравлического вяжущего – портландцемента геополимерными материалами.  Создание водостойких материалов на основе тонкоизмельченных горных пород сопряжено с определенными проблемами, одной из которых является трудно поддающееся управлению образование геля кремниевой кислоты, выделение которого является причиной снижения прочности при воздействии на затвердевшее вяжущее воды.

Для создания водостойких вяжущих необходимо подобрать композицию геополимерного вяжущего таким образом, чтобы гель кремниевой кислоты можно было бы связать в труднорастворимые соединения. Возможными путями решения этой проблемы может стать применение химических модифицирующих добавок, минеральных добавок на основе алюмосиликатных соединений [4].

Строительные материалы на основе геополимеров имеют значительные преимущества в сравнении с традиционными материалами: они производятся на основе крупнотоннажных промышленных отходов по безобжиговой технологии, что позволяет значительно снизить себестоимость производства. Материалы на основе геополимерных вяжущих в ряде случаев имеют более высокую коррозионную стойкость и долговечность. Технология производства этих материалов во всем мире относится к перспективным ресурсо- и энергосберегающим технологиям в строительной индустрии[1].

В дальнейшем были разработаны технологии нескольких разновидностей геополимеров на основе различных термически обработанных алюмосиликатов природного и промышленного происхождения – полевошпатовых горных пород, шлака, золы и др. Эти вяжущие способны твердеть и набирать прочность как притепловлажностной обработке, так и в нормальных условиях.

В качестве сырья для получения геополимеров использовались алюмо-силикатные материалы, которые подвергались термической обработке при температуре 750…850 °С. Это позволило, в сравнении с портландцементом, снизить на 70…90 % расход энергии и выбросы углекислого газа при производстве вяжущего. Еще менее энергозатратны технологии геополимерных материалов на основе золы-уноса и доменного гранулированного шлака, так как эти промышленные отходы в процессе образования уже прошли термическую обработку[4].

 

 

 

 

 

 

1.1 Обоснование использования геополимерных

вяжущих в древности

Возможно, геополимеры применялись и в прошлом и даже для строительства таких впечатляющих объектов как пирамиды. Так  тезис об использовании бетона при строительстве египетских пирамид выдвигается по меньшей мере с 1979 года, со времени Второго Международного конгресса египтологов в Гренобле, французским химиком, профессором Джозефом Давидовицем. Также он начал утверждать, что и некоторые древнеегипетские вазы были изготовлены не из природного камня, а произведены методом “каменного литья”.

Дж. Давидовиц отстаивает мнение, что некоторые египетские пирамиды и отдельные храмы были построены из одной из разновидностей природного или геополимерного бетона. В качестве природного бетона можно рассматривать различные окаменевшие отложения, например, типа известняка или песчаника. Так из потоков грязи вулканического или иного происхождения в результате высыхания и схватывания тоже возникает природный бетон. Всякий раз, когда в результате перемешивания песчаных и других минеральных наносов с органическими компонентами (морская органика, продукты жизнедеятельности микробов и т.п.) возникали слои окаменения, мы на самом деле имели дело с природным бетонированием с органическими добавками. В случае египетских пирамид речь идет о повторении человеком этих природных процессов с небольшими изменениями: за счет органических добавок к растворенным в воде природным минеральным материалам получается природный бетон с хорошими свойствами.

Давидовиц и его американские сотрудники выяснили, что похожая техника находила применение также и в древних южноамериканских культурах: при изготовлении ваз, скульптур и в строительной деятельности (см. также статью “Размягчение камней”)

Транспортировка миллионов блоков весом в несколько тонн всегда представляла слабое звено в мысленных построениях египтологов. Микроскопические исследования материала из каменоломен выявили наличие кальциевых структур с четкими кристаллическими решетками при постоянной плотности и, одновременно, известковые фрагменты раковин. Напротив, стройматериалы пирамиды Хеопса содержали наряду с фрагментами раковин примеси извести, соды и веществ органического происхождения. В них наблюдались колебания плотности и даже включения пузырьков воздуха. Объяснение Давидовица для этих различий таково: размягченные в воде каменные материалы ракушечника из расположенных вблизи вади смешивались с нильским илом и связывающими средствами (сода, известь, органические добавки), необходимыми для возникновения геополимерного бетона, и затем эта масса затвердевала.

Большая часть природного известняка (более 90%) образуется из известкового ила. Это не что иное, как заготовка для природного геополимерного карбонатного бетона. В иле содержатся мелкодисперсные частицы карбонатов, осколки раковин и кораллов, а также вода и полимеры – органические соединения. Следовательно, собственно известняк и есть природный геополимерный карбонатный бетон.

Кроме того, литье блоков из бетона объяснило бы плотную стыковку блоков. Надо при этом сказать, что отдельные внешние блоки, по крайней мере, видимые снаружи, вовсе не так уж плотно примыкают друг к другу, как блоки внутренних проходов и помещений. Внешние блоки пирамид подвержены разрушительному воздействию сил природы и “цивилизационных” сил. В отличие от блоков внутри пирамиды, внешние блоки сильно нагреваются в летние дни и сильно охлаждаются ночью. Сильные ветры уносят отломанные кусочки. Возникающие трещины используют туристы, чтобы раздобыть образцы камней пирамид как сувениры.