КЕРАМИЗИРОВАННЫЕ КРОВЕЛЬНЫЕ ГРАНУЛЫ ИЗ ГОРНЫХ ПОРОД С ПОВЫШЕННОЙ КОРРОЗИОННОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТЬЮ
|
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ КРОВЕЛЬНЫЕ ПОСЫПКИ, ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ КЕРАМИЗИРОВАННЫХ ГРАНУЛ НА ОСНОВЕ ГОРНЫХ ПОРОД 13
1.1. Мировой опыт производства кровельных гранул для защиты полимерно-битумных кровельных материалов 13
1.2. Современное состояние производства кровельных гранул 16
в России и в мире 16
1.3. Выбор способа и исходных сырьевых компонентов для создания гранул, способных задерживать ультрафиолетовое излучение, значительно продлевающих срок эксплуатации кровли 18
1.4. Обоснование выбора керамической технологии получения кровельной посыпки для битумно-полимерных материалов на основе горных пород 19
1.5. Выводы по главе 1 22
ГЛАВА 2. НАУЧНАЯ ГИПОТЕЗА, ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 24
2.1. Гипотеза и задачи исследования 24
2.2 Методология проведения экспериментов 27
2.3. Изучение свойств исходных материалов 29
2.3.1. Методы исследования характеристик минерального носителя 34
2.3.2. Исследование физико-механических свойств керамизированных гранул и долговечности полимерно-битумных материалов, находящихся под их защитой 37
2.2.5. Исследование макро и микроструктуры кровельных гранул, полученных по высокотемпературной (обжиговой) технологии, исследование элементного состава минерального носителя и оболочки биоцидных гранул 42
2.3. Методы исследования биологической стойкости гранул 48
2.3.1. Материалы для тестирования 51
2.3.2. Используемое оборудование 51
2.3.3. Создание стационарной лабораторной установки 52
для проведения исследований 52
2.3.4. Выбор штаммов цианобактерий для проведения исследований 53
2.3.5. Приготовление среды городского дождя BG-11 53
2.3.6. Адаптация методики и условий проведения испытаний к отечественным лабораторным условиям 56
2.3.7. Разработка методики тестирования устойчивости гибких кровельных материалов к биопоражению, адаптированной к отечественным лабораторным условиям 57
Дизайн экспериментов. 58
2.3.8. Проведение пилотных исследований 59
ГЛАВА 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОЗДАНИЯ КЕРАМИЗИРОВАННЫХ КРОВЕЛЬНЫХ ГРАНУЛ НА ОСНОВЕ ГОРНЫХ ПОРОД 62
3.1. Выбор и характеристика вещественного и химического состава минерального носителя в соответствии с его влиянием на способность получения гранул кровельной посыпки с цветной керамической оболочкой 62
3.2. Результаты статистической обработки химических, минералогических, технологических данных по пробам базальтов для производства кровельных гранул 72
3.2.1. Участок Буйдинский Поляковская свита 73
3.2.2. Карамалыташская свита 85
3.3. Теоретические основы механизма образования керамической оболочки кровельных гранул 95
3.4. Определение поверхностной щелочности полученных кровельных гранул 113
3.5. Расчёт режимов технологического процесса обжига сырцовых гранул во вращающейся печи 118
3.5.1. Математическая модель сопряжения процессов термохимической кинетики газов и движения сырцовых гранул в их потоке 120
3.5.2. Выводы о технологическом процессе и его математической модели 128
3.6.1. Результаты тестирования образцов ГЧ к биопоражению 133
3.6.2. Устойчивость гибких кровельных материалов 138
к биообрастанию 138
3.6.3. Оценка устойчивости 5 образцов гранул к биопоражению 140
Результаты спектрофотометрических измерений оптической плотности цианобактерий Gloeocapsa sp. в присутствии гранул, тестируемых в условиях без увлажнения, представлены в таблице 20. Эксперимент ставился в трех повторах. При получении значений оптической плотности образцов выше 2.0 OD600 нм, образцы разбавляли в 10 раз средой BG-11 и проводили повторное измерение. Из каждой ячейки 24-луночного планшета отбирали по две пробы для спектрофотометрических измерений. В таблицах 20 и 21 представлены данные с учетом 10-кратного разведения культуры цианобактерий. 144
3.7. Выводы по главе 3 158
3.7.1. Выбор породы 158
3.7.2. Механизм образования керамической оболочки 160
3.7.3. Устойчивость биоцидных гранул к биообрастанию 163
ГЛАВА 4. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ 164
4.1. Опытно – производственное опробование технологии 164
4.2. Общее описание процесса керамизации гранул 164
4.3. Покраска (керамизация) гранул 165
4.3.1. Преднагрев 165
4.3.2. Нанесение шликера на гранулы в Миксере 165
4.3.3. Печь 166
4.3.4. Холодильник 166
4.4. Постобработка латексом 167
4.4.1. Перемешивание 167
4.4.2. Сушка и охлаждение 167
4.5. Готовый продукт 167
4.5.1. Затарка 167
4.6. Приготовление краски 168
4.6.1. Вертикальный миксер 168
4.6.2. Промежуточная ёмкость 168
4.6.3. Жидкое стекло и каолин 168
4.6.4. Пигмент 169
4.7. Вода 169
4.7.1. Чистая вода 169
4.7.2. Промывочная и грязная вода 169
4.8. Технологическое оборудование 170
4.8.1. Аспирация 170
4.8.2. Сжатый воздух 170
4.9. Технологическое оборудование для гидрофобизации и 171
обработки латексом 171
4.9.1. Вертикальный миксер для приготовления раствора латекса с гидрофобизатором 171
4.9.2. Накопительная ёмкость 171
4.10. Принципы контроля и управления процессом производства керамических гранул 172
4.10.1. Окраска гранул 172
4.10.2. Сушильный барабан –Прехитор 172
4.11. Выпуск лабораторных образцов 175
Дата проведения испытаний 175
4.12. Технико-экономическое обоснование производства и применения керамизированных кровельных гранул 178
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 180
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 181
ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 192
Приложения
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ КРОВЕЛЬНЫЕ ПОСЫПКИ, ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ КЕРАМИЗИРОВАННЫХ ГРАНУЛ НА ОСНОВЕ ГОРНЫХ ПОРОД 13
1.1. Мировой опыт производства кровельных гранул для защиты полимерно-битумных кровельных материалов 13
1.2. Современное состояние производства кровельных гранул 16
в России и в мире 16
1.3. Выбор способа и исходных сырьевых компонентов для создания гранул, способных задерживать ультрафиолетовое излучение, значительно продлевающих срок эксплуатации кровли 18
1.4. Обоснование выбора керамической технологии получения кровельной посыпки для битумно-полимерных материалов на основе горных пород 19
1.5. Выводы по главе 1 22
ГЛАВА 2. НАУЧНАЯ ГИПОТЕЗА, ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 24
2.1. Гипотеза и задачи исследования 24
2.2 Методология проведения экспериментов 27
2.3. Изучение свойств исходных материалов 29
2.3.1. Методы исследования характеристик минерального носителя 34
2.3.2. Исследование физико-механических свойств керамизированных гранул и долговечности полимерно-битумных материалов, находящихся под их защитой 37
2.2.5. Исследование макро и микроструктуры кровельных гранул, полученных по высокотемпературной (обжиговой) технологии, исследование элементного состава минерального носителя и оболочки биоцидных гранул 42
2.3. Методы исследования биологической стойкости гранул 48
2.3.1. Материалы для тестирования 51
2.3.2. Используемое оборудование 51
2.3.3. Создание стационарной лабораторной установки 52
для проведения исследований 52
2.3.4. Выбор штаммов цианобактерий для проведения исследований 53
2.3.5. Приготовление среды городского дождя BG-11 53
2.3.6. Адаптация методики и условий проведения испытаний к отечественным лабораторным условиям 56
2.3.7. Разработка методики тестирования устойчивости гибких кровельных материалов к биопоражению, адаптированной к отечественным лабораторным условиям 57
Дизайн экспериментов. 58
2.3.8. Проведение пилотных исследований 59
ГЛАВА 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОЗДАНИЯ КЕРАМИЗИРОВАННЫХ КРОВЕЛЬНЫХ ГРАНУЛ НА ОСНОВЕ ГОРНЫХ ПОРОД 62
3.1. Выбор и характеристика вещественного и химического состава минерального носителя в соответствии с его влиянием на способность получения гранул кровельной посыпки с цветной керамической оболочкой 62
3.2. Результаты статистической обработки химических, минералогических, технологических данных по пробам базальтов для производства кровельных гранул 72
3.2.1. Участок Буйдинский Поляковская свита 73
3.2.2. Карамалыташская свита 85
3.3. Теоретические основы механизма образования керамической оболочки кровельных гранул 95
3.4. Определение поверхностной щелочности полученных кровельных гранул 113
3.5. Расчёт режимов технологического процесса обжига сырцовых гранул во вращающейся печи 118
3.5.1. Математическая модель сопряжения процессов термохимической кинетики газов и движения сырцовых гранул в их потоке 120
3.5.2. Выводы о технологическом процессе и его математической модели 128
3.6.1. Результаты тестирования образцов ГЧ к биопоражению 133
3.6.2. Устойчивость гибких кровельных материалов 138
к биообрастанию 138
3.6.3. Оценка устойчивости 5 образцов гранул к биопоражению 140
Результаты спектрофотометрических измерений оптической плотности цианобактерий Gloeocapsa sp. в присутствии гранул, тестируемых в условиях без увлажнения, представлены в таблице 20. Эксперимент ставился в трех повторах. При получении значений оптической плотности образцов выше 2.0 OD600 нм, образцы разбавляли в 10 раз средой BG-11 и проводили повторное измерение. Из каждой ячейки 24-луночного планшета отбирали по две пробы для спектрофотометрических измерений. В таблицах 20 и 21 представлены данные с учетом 10-кратного разведения культуры цианобактерий. 144
3.7. Выводы по главе 3 158
3.7.1. Выбор породы 158
3.7.2. Механизм образования керамической оболочки 160
3.7.3. Устойчивость биоцидных гранул к биообрастанию 163
ГЛАВА 4. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ 164
4.1. Опытно – производственное опробование технологии 164
4.2. Общее описание процесса керамизации гранул 164
4.3. Покраска (керамизация) гранул 165
4.3.1. Преднагрев 165
4.3.2. Нанесение шликера на гранулы в Миксере 165
4.3.3. Печь 166
4.3.4. Холодильник 166
4.4. Постобработка латексом 167
4.4.1. Перемешивание 167
4.4.2. Сушка и охлаждение 167
4.5. Готовый продукт 167
4.5.1. Затарка 167
4.6. Приготовление краски 168
4.6.1. Вертикальный миксер 168
4.6.2. Промежуточная ёмкость 168
4.6.3. Жидкое стекло и каолин 168
4.6.4. Пигмент 169
4.7. Вода 169
4.7.1. Чистая вода 169
4.7.2. Промывочная и грязная вода 169
4.8. Технологическое оборудование 170
4.8.1. Аспирация 170
4.8.2. Сжатый воздух 170
4.9. Технологическое оборудование для гидрофобизации и 171
обработки латексом 171
4.9.1. Вертикальный миксер для приготовления раствора латекса с гидрофобизатором 171
4.9.2. Накопительная ёмкость 171
4.10. Принципы контроля и управления процессом производства керамических гранул 172
4.10.1. Окраска гранул 172
4.10.2. Сушильный барабан –Прехитор 172
4.11. Выпуск лабораторных образцов 175
Дата проведения испытаний 175
4.12. Технико-экономическое обоснование производства и применения керамизированных кровельных гранул 178
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 180
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 181
ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 192
Приложения
На территории стран СНГ около 80% плоских кровель и 20% скатных по-крыты полимерно-битумными материалами. Неотъемлемым элементом верхнего защитного слоя этих кровель является крупнозернистая посыпка или кровельные гранулы. При производстве посыпочных материалов на каждую частицу минеральной основы, состоящую из специально отобранной, раздробленной и отфракционированной горной породы, наносится керамический слой. Частицы породы величиной 0,5-2 мм подвергаются воздействию экстремально высокой температуры при производстве и различным погодным воздействиям в течении всего срока службы кровли[47].
Если порода выбрана неправильно, то защитный слой не работает и кровельный материал разрушается. Особые нарекания потребителей вызывают случаи изменения цвета кровли за счет выделения на поверхности гранул оксигидроксидов железа. Данные негативные явления имеют место как на стадии производства, так и в процессе эксплуатации кровли[56].
Рассмотрены причины изменения цвета и методы выбора горной породы.
Актуальность темы. Гибкая битумная черепица Шинглас является перспективным направлением кровельной отрасли для КМС (коттеджного и малоэтажного строительства). Одним из ключевых компонентов этого вида кровли является защитный слой из керамизированных базальтовых гранул. До недавнего времени на территории РФ не существовало производства кровельных гранул как продукта. Производители Гибкой Черепицы вынуждены были импортировать этот сырьевой компонент из других стран, с затратами на доставку и таможенные пошлины. С появлением первых производств кровельных гранул на территории РФ встала новая задача – адаптировать производственный цикл под отечественное минеральное сырьё. В данной работе исследуются основные причины изменения внешнего вида и целостности защитного слоя кровли в процессе эксплуатации. Устанавливаются критерии выбора горных пород, наименее подверженных негативным из-менениям в технологическом цикле и дальнейшей многолетней эксплуатации кровли. Кроме горной породы, в качестве причины изменения внешнего вида защитного слоя кровли рассматривается процесс биообрастания поверхности кровли. Автором данной работы предложен путь решения проблемы биообрастания битумных кровель.
В этой связи выполнение настоящей диссертационной работы представляется актуальным.
Степень разработанности темы исследования. В России производство кро-вельных гранул начало развиваться только в последние десятилетия, в связи с появление новых производств полимерно-битумных кровель нового поколения, поэтому в научной литературе вопросы технологии получения кровельных гранул освещены недостаточно подробно, не сформированы подходы к выбору сырья для этих целей.
Отсутствуют основополагающие работы по этой тематике и в научной литературе США и Западной Европы, хотя здесь традиции производства кровельных материалов на основе битума насчитывают более ста лет.
Полученные наработки как правило, являются собственностью компаний–производителей, зафиксированы во внутренних нормативных документах и па-тентах.
Согласно доступным источникам информации, исследования горных пород на предмет изменения цвета при термообработке ранее не проводились. Преобразования в горных породах и в силикатных композитах при дегидратации и обжиге были изучены неоднократно ввиду применения этих материалов в строительной отрасли и не только. Так как производство кровельных гранул является новым для кровельной промышленности, свойства горных пород и взаимодействие их с силикатными композитами ранее не представляли интереса как предмет исследования. Вопросы защиты промышленных покрытий от биообрастания изучены широко и ссылки на исследования по этой теме приводятся в данной работе.
Научно-техническая гипотеза. Преобразования в горных породах и последующие разрушение защитного слоя кровли наступает вследствие термического разрушения или выветривания минералов, в состав которых входят соединения железа или карбонаты. Для предотвращения ржавления минеральной основы гранул требуется проводить выбор пород, не подверженных деструктивным изменениям в рамках температурных режимов технологических циклов и не содержащих реакционных минералов типов карбонатов.
Появление на гибкой черепице темных пятен и полос является следствием биообрастания водорослями. [62;63] Кровельные гранулы, образующие защитный слой полимерно-битумных кровель, играют важную роль в обеспечении функциональной долговечности этих материалов. [47] Для защиты кровельных и фасадных материалов, сделанных в виде полимерно-битумной черепицы, от различных видов биообрастания используются биоцидные кровельные гранулы. [108] Добавляя в состав керамизированного слоя кровельной гранулы высокодисперсный порошок медно-цинковой латуни в качестве биоцида, можно получить посыпку, обладающую хорошими биоцидными свойствами, сохраняющимися в течение продолжительного времени. Обязательными условиями равномерно постоянной миграции ионов меди на поверхность кровельных гранул для предотвращения биообрастания является постоянное обновление поверхности металла биоцида и обеспечение беспрепятственного выхода ионов меди и цинка на поверхность кровельных гранул.
Цель работы. Цель диссертационной работы заключается в получении коррозионно и биостойких кровельных гранул из горных пород с керамической оболочкой широкой цветовой гаммы.
Достижение этих целей предполагает:
1. Изучение закономерностей образования окси-гидроксидов железа в породе.
2. Разработку критериев выбора горных пород в наименьшей степени подверженных негативным изменениям в условиях технологического передела и дальнейшей эксплуатации.
3. Изучение процесса прогрева кровельных гранул при обжиге керамической оболочки с последующим анализом изменений, происходящих в породе-носителе и взаимодействие между составляющими керамической оболочки.
4. Исследование процесса миграции ионов биоцида из оболочки кровельных гранул, необходимых для эффективного противодействия биологическому обрастанию кровельного покрытия.
5. Разработку состава керамической оболочки с необходимым количеством биоцида и гарантирующего дозированное выделение ионов металлов на протяжении многолетней эксплуатации кровли.
Объект исследования. Керамические кровельные гранулы на основе горных по-род.
Предмет исследования. Процессы, приводящие к изменению внешнего вида кровли и вызывающие деструктивные изменения защитного слоя кровли. Следствием таких изменений является сокращение срока службы кровельного материала.
Научная новизна.
• Исследован процесс окисления горных пород при высокотемпературном обжиге. Выявлены группы минералов ответственных за изменение цвета породы и минералы, способные мигрировать из породы на поверхность готового изделия.
• Разработаны критерии выбора горных пород месторождений РФ для производства кровельных гранул.
• Исследован процесс прогрева кровельных гранул в производственном цикле и взаимодействие горной породы с компонентами керамической матрицы цветной оболочки гранул.
• Предложено использование селективной коррозии латуни для достижения необходимого альгицидного эффекта на поверхности кровли, а также предложен способ производства биоцидных кровельных гранул на основе горных пород.
• Определены необходимые технологические режимы, при которых процесс производства керамических кровельных гранул обеспечивает гарантированное качество готового продукта.
Теоретическая значимость работы. Проведённые исследования позволят более детально оценить свойства горных пород и силикатных композиций для применения их в строительных материалах и системах.
Практическая значимость.
• Предложены методы определения потенциала горных пород к ржавлению и стойкости к физическому и химическому разрушению.
• Разработаны композиции для получения керамической оболочки кровельных гранул с биоцидными свойствами.
Личный вклад автора состоит в инициировании и реализации проекта производства объекта исследований, проведении исследований, расчётов с использованием специализированного программного обеспечения, участии в анализе, обсуждении и обобщении массива экспериментальных данных, полученных совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.
Достоверность полученных данных основывается на высокой воспроизводимости результатов экспериментов в пределах заданной точности, использовании стандартизованных и современных физико-химических методов исследования и аппаратуры (атомно-абсорбционная и инфракрасная спектроскопия, спектрофотометрия, микроскопия, рентгенофазовый и дифференциальный термический анализ, ротационная вискозиметрия и др.), а также на взаимном согласовании полученных данных.
Апробация работы.
1. University of Civil Engineering. XXI International Scientific Conference on Advanced In Civil Engineering CONSTRUCTION THE FORMATION OF LIVING ENVIRONMENT 2018. Доклад «Selection of base rock for roofing granules production»
2. ФГБУ «ВИМС» Российское совещание с международным участием «Роль технологической минералогии в рациональном недропользова-нии». Доклад «Роль минералогии в решении технологических проблем производства полимерно-битумных кровельных материалов».
3. Геология, полезные ископаемые и проблемы геоэкологии Башкортостана, Урала и сопредельных территорий. 12-я Межрегиональная научно-практическая конференция, Уфа, 21–23 мая 2018 г. «Перспективы создания минерально-сырьевой базы на Южном Урале для производства кровельных гранул».
4. Международная научно-практическая конференция «Современные строительные материалы и технологии» в БФУ им. И. Канта (г. КАЛИ-НИНГРАД). «Защитный слой гибкой битумной черепицы с альгицидными свойствами».
5.
Статьи в рецензируемых научных журналах согласно перечня ВАК:
1.А.С. Алматов, В.Н. Соков,
Е.О. Калистратова Причины изменения цвета кровельных гранул, окрашенных керамическим способом // Строительные материалы» №1-2, 2018, С 106.
2. А.С.Алматов, В.Н.Соков,
А. В. Кочергин Исследование причин «ржавления» кровельных гранул в процессах технологического передела и эксплуатации мягкой кровли // Вестник МГСУ, Том 13 Выпуск 4 (115), С. 527–535
3. Червенко Юрий Вячеславович, Соков Виктор Николаевич, Алматов Алексей Сергеевич Кровельные гранулы с добавкой медно-цинкового порошка, обладающие биоцидными свойствами// Вестник МГСУ, Том 14, Выпуск 2, стр. 199-206
Статьи опубликованные по системе Scopus:
4. Sokov V., Almatov A., Selection of base rock for roofing granules production. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (XXI International Scientific Conference on Advanced In Civil Engineering «Construction the formation of living environment»), 2018 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 365032047
Если порода выбрана неправильно, то защитный слой не работает и кровельный материал разрушается. Особые нарекания потребителей вызывают случаи изменения цвета кровли за счет выделения на поверхности гранул оксигидроксидов железа. Данные негативные явления имеют место как на стадии производства, так и в процессе эксплуатации кровли[56].
Рассмотрены причины изменения цвета и методы выбора горной породы.
Актуальность темы. Гибкая битумная черепица Шинглас является перспективным направлением кровельной отрасли для КМС (коттеджного и малоэтажного строительства). Одним из ключевых компонентов этого вида кровли является защитный слой из керамизированных базальтовых гранул. До недавнего времени на территории РФ не существовало производства кровельных гранул как продукта. Производители Гибкой Черепицы вынуждены были импортировать этот сырьевой компонент из других стран, с затратами на доставку и таможенные пошлины. С появлением первых производств кровельных гранул на территории РФ встала новая задача – адаптировать производственный цикл под отечественное минеральное сырьё. В данной работе исследуются основные причины изменения внешнего вида и целостности защитного слоя кровли в процессе эксплуатации. Устанавливаются критерии выбора горных пород, наименее подверженных негативным из-менениям в технологическом цикле и дальнейшей многолетней эксплуатации кровли. Кроме горной породы, в качестве причины изменения внешнего вида защитного слоя кровли рассматривается процесс биообрастания поверхности кровли. Автором данной работы предложен путь решения проблемы биообрастания битумных кровель.
В этой связи выполнение настоящей диссертационной работы представляется актуальным.
Степень разработанности темы исследования. В России производство кро-вельных гранул начало развиваться только в последние десятилетия, в связи с появление новых производств полимерно-битумных кровель нового поколения, поэтому в научной литературе вопросы технологии получения кровельных гранул освещены недостаточно подробно, не сформированы подходы к выбору сырья для этих целей.
Отсутствуют основополагающие работы по этой тематике и в научной литературе США и Западной Европы, хотя здесь традиции производства кровельных материалов на основе битума насчитывают более ста лет.
Полученные наработки как правило, являются собственностью компаний–производителей, зафиксированы во внутренних нормативных документах и па-тентах.
Согласно доступным источникам информации, исследования горных пород на предмет изменения цвета при термообработке ранее не проводились. Преобразования в горных породах и в силикатных композитах при дегидратации и обжиге были изучены неоднократно ввиду применения этих материалов в строительной отрасли и не только. Так как производство кровельных гранул является новым для кровельной промышленности, свойства горных пород и взаимодействие их с силикатными композитами ранее не представляли интереса как предмет исследования. Вопросы защиты промышленных покрытий от биообрастания изучены широко и ссылки на исследования по этой теме приводятся в данной работе.
Научно-техническая гипотеза. Преобразования в горных породах и последующие разрушение защитного слоя кровли наступает вследствие термического разрушения или выветривания минералов, в состав которых входят соединения железа или карбонаты. Для предотвращения ржавления минеральной основы гранул требуется проводить выбор пород, не подверженных деструктивным изменениям в рамках температурных режимов технологических циклов и не содержащих реакционных минералов типов карбонатов.
Появление на гибкой черепице темных пятен и полос является следствием биообрастания водорослями. [62;63] Кровельные гранулы, образующие защитный слой полимерно-битумных кровель, играют важную роль в обеспечении функциональной долговечности этих материалов. [47] Для защиты кровельных и фасадных материалов, сделанных в виде полимерно-битумной черепицы, от различных видов биообрастания используются биоцидные кровельные гранулы. [108] Добавляя в состав керамизированного слоя кровельной гранулы высокодисперсный порошок медно-цинковой латуни в качестве биоцида, можно получить посыпку, обладающую хорошими биоцидными свойствами, сохраняющимися в течение продолжительного времени. Обязательными условиями равномерно постоянной миграции ионов меди на поверхность кровельных гранул для предотвращения биообрастания является постоянное обновление поверхности металла биоцида и обеспечение беспрепятственного выхода ионов меди и цинка на поверхность кровельных гранул.
Цель работы. Цель диссертационной работы заключается в получении коррозионно и биостойких кровельных гранул из горных пород с керамической оболочкой широкой цветовой гаммы.
Достижение этих целей предполагает:
1. Изучение закономерностей образования окси-гидроксидов железа в породе.
2. Разработку критериев выбора горных пород в наименьшей степени подверженных негативным изменениям в условиях технологического передела и дальнейшей эксплуатации.
3. Изучение процесса прогрева кровельных гранул при обжиге керамической оболочки с последующим анализом изменений, происходящих в породе-носителе и взаимодействие между составляющими керамической оболочки.
4. Исследование процесса миграции ионов биоцида из оболочки кровельных гранул, необходимых для эффективного противодействия биологическому обрастанию кровельного покрытия.
5. Разработку состава керамической оболочки с необходимым количеством биоцида и гарантирующего дозированное выделение ионов металлов на протяжении многолетней эксплуатации кровли.
Объект исследования. Керамические кровельные гранулы на основе горных по-род.
Предмет исследования. Процессы, приводящие к изменению внешнего вида кровли и вызывающие деструктивные изменения защитного слоя кровли. Следствием таких изменений является сокращение срока службы кровельного материала.
Научная новизна.
• Исследован процесс окисления горных пород при высокотемпературном обжиге. Выявлены группы минералов ответственных за изменение цвета породы и минералы, способные мигрировать из породы на поверхность готового изделия.
• Разработаны критерии выбора горных пород месторождений РФ для производства кровельных гранул.
• Исследован процесс прогрева кровельных гранул в производственном цикле и взаимодействие горной породы с компонентами керамической матрицы цветной оболочки гранул.
• Предложено использование селективной коррозии латуни для достижения необходимого альгицидного эффекта на поверхности кровли, а также предложен способ производства биоцидных кровельных гранул на основе горных пород.
• Определены необходимые технологические режимы, при которых процесс производства керамических кровельных гранул обеспечивает гарантированное качество готового продукта.
Теоретическая значимость работы. Проведённые исследования позволят более детально оценить свойства горных пород и силикатных композиций для применения их в строительных материалах и системах.
Практическая значимость.
• Предложены методы определения потенциала горных пород к ржавлению и стойкости к физическому и химическому разрушению.
• Разработаны композиции для получения керамической оболочки кровельных гранул с биоцидными свойствами.
Личный вклад автора состоит в инициировании и реализации проекта производства объекта исследований, проведении исследований, расчётов с использованием специализированного программного обеспечения, участии в анализе, обсуждении и обобщении массива экспериментальных данных, полученных совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.
Достоверность полученных данных основывается на высокой воспроизводимости результатов экспериментов в пределах заданной точности, использовании стандартизованных и современных физико-химических методов исследования и аппаратуры (атомно-абсорбционная и инфракрасная спектроскопия, спектрофотометрия, микроскопия, рентгенофазовый и дифференциальный термический анализ, ротационная вискозиметрия и др.), а также на взаимном согласовании полученных данных.
Апробация работы.
1. University of Civil Engineering. XXI International Scientific Conference on Advanced In Civil Engineering CONSTRUCTION THE FORMATION OF LIVING ENVIRONMENT 2018. Доклад «Selection of base rock for roofing granules production»
2. ФГБУ «ВИМС» Российское совещание с международным участием «Роль технологической минералогии в рациональном недропользова-нии». Доклад «Роль минералогии в решении технологических проблем производства полимерно-битумных кровельных материалов».
3. Геология, полезные ископаемые и проблемы геоэкологии Башкортостана, Урала и сопредельных территорий. 12-я Межрегиональная научно-практическая конференция, Уфа, 21–23 мая 2018 г. «Перспективы создания минерально-сырьевой базы на Южном Урале для производства кровельных гранул».
4. Международная научно-практическая конференция «Современные строительные материалы и технологии» в БФУ им. И. Канта (г. КАЛИ-НИНГРАД). «Защитный слой гибкой битумной черепицы с альгицидными свойствами».
5.
Статьи в рецензируемых научных журналах согласно перечня ВАК:
1.А.С. Алматов, В.Н. Соков,
Е.О. Калистратова Причины изменения цвета кровельных гранул, окрашенных керамическим способом // Строительные материалы» №1-2, 2018, С 106.
2. А.С.Алматов, В.Н.Соков,
А. В. Кочергин Исследование причин «ржавления» кровельных гранул в процессах технологического передела и эксплуатации мягкой кровли // Вестник МГСУ, Том 13 Выпуск 4 (115), С. 527–535
3. Червенко Юрий Вячеславович, Соков Виктор Николаевич, Алматов Алексей Сергеевич Кровельные гранулы с добавкой медно-цинкового порошка, обладающие биоцидными свойствами// Вестник МГСУ, Том 14, Выпуск 2, стр. 199-206
Статьи опубликованные по системе Scopus:
4. Sokov V., Almatov A., Selection of base rock for roofing granules production. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (XXI International Scientific Conference on Advanced In Civil Engineering «Construction the formation of living environment»), 2018 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 365032047
В результате проведенных исследований получено:
Выработаны критерии оценки применимости горных пород для получения кровельных гранул. Критерии адаптированы к отечественным условиям.
Установлено, что общее содержание железа в породе не определяет её предрасположенность к коррозии. Для оценки предрасположенности горной породы к коррозионному выветриванию необходимо определять минеральную форму фиксации в ней железа. Причиной изменения цвета с последующие миграцией продуктов реакции, гидроксидов железа на поверхность кровли являются сульфиды. Различные группы хлоритов при визуальном изменении цвета сохраняют механическую прочность. Установлено предельное содержание S (серы) 0,05% по массе.
В процессе обжига сырцовых гранул в их оболочке происходят дегидратация красящего раствора и деструкция каолина с выделением ионов алюминия, при этом красящая оболочка переходит в нерастворимое состояние. Зафиксирована оптимальная температура нагрева гранул 550С.
Полученные биоцидные гранулы обеспечивают стойкость кровельных материалов к биопоражению эффективнее гранул передовых мировых производителей.
Экспериментально установлен эффект влияния процесса селективной коррозии латуни на биоцидную активность кровельных гранул.
Выработаны критерии оценки применимости горных пород для получения кровельных гранул. Критерии адаптированы к отечественным условиям.
Установлено, что общее содержание железа в породе не определяет её предрасположенность к коррозии. Для оценки предрасположенности горной породы к коррозионному выветриванию необходимо определять минеральную форму фиксации в ней железа. Причиной изменения цвета с последующие миграцией продуктов реакции, гидроксидов железа на поверхность кровли являются сульфиды. Различные группы хлоритов при визуальном изменении цвета сохраняют механическую прочность. Установлено предельное содержание S (серы) 0,05% по массе.
В процессе обжига сырцовых гранул в их оболочке происходят дегидратация красящего раствора и деструкция каолина с выделением ионов алюминия, при этом красящая оболочка переходит в нерастворимое состояние. Зафиксирована оптимальная температура нагрева гранул 550С.
Полученные биоцидные гранулы обеспечивают стойкость кровельных материалов к биопоражению эффективнее гранул передовых мировых производителей.
Экспериментально установлен эффект влияния процесса селективной коррозии латуни на биоцидную активность кровельных гранул.