CC BY
38
УДК 666.712:622.333-229.88
ТОГИДНИЙ МАКСИМ ЛЕОНИДОВИЧ, аспирант, [email protected]
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ЭФФЕКТИВНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ КИРПИЧ НА ОСНОВЕ ФЛОТАЦИОННЫХ ОТХОДОВ
Разработаны компонентные составы и технологические режимы получения эффективного керамического кирпича на основе флотационных отходов угледобывающей промышленности. Исследованы физико-химические и физико-механические свойства керамического кирпича. Установлены процессы фазообразования при обжиге сырьевой смеси.
Ключевые слова: флотационные отходы, физико-механические исследования, минеральный состав, фазообразование.
TOGIDNIY, ММШLEONIDOVICH, P.G., [email protected]
Tomsk State University Of Architecture And Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
EFFECTIVE CERAMIC BRICK ON THE BASIS OF FLOTATION WASTE
Component compositions and technological conditions of effective ceramic brick production on the basis of flotation waste of the coal-mining industry have been developed. Physical-chemical and physical-mechanical properties of a ceramic brick have been investigated. Processes of phase formation have been determined at baking of a raw mix.
Keywords: flotation waste, physical-mechanical researches, mineral structure, phase formation.
Проблема отходов является актуальной задачей нашего времени. Утилизация их путём сжигания, скопления в отвалах и т. д. является экологически и экономически неприемлемой. Другой немаловажной социально-экономической проблемой на сегодняшний день в России является строительство качественного и доступного для населения жилья. В связи с этим возникает задача увеличения ассортимента энергоэффективных стеновых керамических материалов на основе отходов. Для производства керамического кирпича применяют как природные, так и различные производственные отходы.
Актуальное решение проблем в строительстве лежит в использовании нетрадиционных сырьевых материалов при получении стеновых керамических изделий.
В последнее время большое внимание уделяется применению различных отходов угледобывающей и углеперерабатывающей промышленности в качестве сырьевых материалов для получения стеновых керамических изделий. Связано это с тем, что значительный рост объемов обогащения угля со-
© М. Л. Тогидний, 2010
провождается образованием большого количества отходов [1]. Под отходами обычно подразумевают продукты, образующиеся при добыче и переработке сырья, но не являющиеся непосредственно целью данных процессов, которые могут либо найти полезное применение, либо просто сбрасываться, что сопровождается заметным загрязнением окружающей среды [2]. В качестве таких отходов были взяты отходы флотационного обогащения, которые являются побочным продуктом в угольной промышленности.
По минеральному составу отходы углеобогащения представляют собой смесь метаморфизированных пород полиминерального состава, которые состоят из глинистых минералов, углесодержащих веществ, кварца, полевых шпатов, слюд и др. Флотационные отходы по минеральному составу представлены в основном иллитом на 30-60 %, в меньшей степени каолинитом 5-30 % и монтмориллонитом 1-10 %, карбонаты содержатся в пределах 5-30 % и органическая составляющая - от 15 до 30 %.
Целью данного исследования является разработка составов и технологии получения стеновых керамических материалов на основе флотационных отходов.
Флотационными отходами являются отходы угольной промышленности Кемеровской области, получившиеся в виде водных суспензий с содержанием твёрдой фазы от 50 до 600 г/л [2]. В качестве глинистого компонента была взята глина Беловского месторождения (Кемеровская область).
Для определения возможности применения отходов флотационного обогащения в производстве строительных керамических материалов была проведена комплексная оценка сырья, которая предполагает определение ряда показателей химического, гранулометрического, физико-химических и технологических свойств.
Химический состав исходных компонентов представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав исходного сырья
Сырьевые материалы Химический состав, мас. %
8І02 АІ2О3 РЄ20в СаО МяО п.п.п
Глина 58,80 13,77 5,56 9,10 0,59 12,18
Флотационные отходы 35,56 10,20 5,96 4,92 2,35 39,01
Из таблицы видно, что по химическому составу флотационные отходы несколько отличаются от глинистого сырья. Так по количественному содержанию оксида кремния (35,56 %) можно предположить, что сырьё менее запе-сочено, чем глина. Потери при прокаливании флотационных отходов свидетельствуют о том, что они представлены органической составляющей в виде углерода, хлора, воды, углекислого газа, сернистого газа и т. д. По значениям п.п.п. (39,01 %) можно предположить более низкую среднюю плотность готовых изделий относительно эталонных образцов из глины.
Анализ дисперсности показал, что флотационные отходы являются низкодисперсным сырьем, т. к. содержание в них глинистых частиц размером
менее 0,001 мм составляет от 15 до 40 %. Исследуемые отходы относятся к умеренно-пластичному сырью (число пластичности 8-11).
Изготавливались керамические изделия по традиционной технологии полусухого формования [3]. Влажность смеси составляла 7-9 %. Изделия формовались при давлении в 25 МПа, температура обжига 950 °С. Время обжига зависит от скорости дегидратации и фазообразования и составляет 8 ч, не считая времени на охлаждение. Пластичность сырьевой смеси позволяет использовать ее при получении обжиговых керамических материалов методом полусухого формования с высокими физико-механическими характеристиками.
С целью изучения физико-химических процессов, протекающих при получении обжиговых керамических материалов на основе отходов флотационного обогащения, был проведен рентгенофазовый анализ сырьевых компонентов и готовых керамических изделий, который представлен на рис. 1.
Основной задачей рентгенофазового анализа (РФА) является идентификация различных фаз в их смеси на основе анализа дифракционной картины, даваемой исследуемым образцом [4].
Рис. 1. Рентгеновские дифрактограммы:
а - флотационные отходы до обжига; б - образец керамического кирпича на основе флотационных отходов (100 %); в - керамический кирпич (60 % флот. отходы, 40 % глина)
Из результатов рентгенофазового анализа следует, что флотационные отходы (а) представлены монтмориллонитом с межплоскостными расстояниями й 6,41, 5,05, 1,88 А, иллитом - 4,47 А и каолинитом - 4,02, 3,73 и 2,82 А.
По минеральному составу Беловская глина состоит в основном из каолинит-гидрослюдистых минералов с включениями кварца [5].
Рентгенофазовый анализ образцов после обжига, состоящих из отходов флотации (100 %) свидетельствует о том, что происходит исчезновение кристаллических фаз, свидетельствующих о том, что происходит образование новых мелкокристаллических соединений, которые не могут быть обнаружены РФА, т. е. являются практически рентгеноаморфными. Флотационные отходы после обжига представлены анортитоподобной фазой ё = 3,35 А, обогащенной кварцем и кристаллическим кварцем, ё = 4,30 А и 1,82 А.
В дальнейшем были проведены эксперименты по созданию керамического кирпича с использованием комплексной сырьевой шихты, составы которых представлены в табл. 2. Рентгенофазовый анализ этих образцов говорит о том, что происходят жидкофазные реакции и образование стекловидного расплава, который в свою очередь содействует дальнейшему растворению в ней части минеральных составляющих смеси и новому минералообразова-нию. Расплав растворяет твердые частицы, выкристаллизовывает их в виде новых кристаллических фаз и обеспечивает спекание и образование более прочного каркаса. Исходя из результатов РФА, полученный керамический образец (в) представлен преимущественно анортитовой фазой с межплоскост-ными расстояниями 4,08, 3,20, и 2,52 А, волластонитом с ё = 3,50 А и кристаллическим кварцем с ё = 4,27, 2,27, 1,82 А.
Для подтверждения исследований РФА был проведен дифференциально-термический анализ (ДТА), который показывает изменение массы в образце и обнаружение новых эффектов. В результате проведенного ДТА полученных образцов никаких явно выраженных экзо- и эндоэффектов не было выявлено. Потеря массы незначительна и составляет 5,64 %. Это может говорить о том, что новые фазовые превращения не происходят, и кристаллизация прошла полностью.
После обжига полученные образцы исследовали на физико-механические показатели, результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2
Зависимость эксплуатационных характеристик керамических образцов
от компонентного состава
№ состава Соотношение компонентов, мас. % Эксплуатационные характеристики
Глина Флотационные отходы Молотый стеклобой Ясж, МПа Плотность, кг/м3 W, %
1 100 - - 29 1900 14
2 75 15 10 22 1635 15
3 40 50 10 20 1190 17
4 30 60 10 18,6 1120 19
5 10 80 10 9 1050 29
6 - 100 - 5,5 1080 45
По результатам физико-механических испытаний образец, содержащий 100 % глины, имеет наибольшую прочность при сжатии (29 МПа) и среднюю плотность (1900 кг/м3). Керамические образцы из глины были приняты как эталонные. Образец, состоящий из 100 % флотационных отходов, имеет минимальную прочность на сжатие (5,5 МПа), поэтому без добавок, влияющих на прочностные характеристики, производить керамический кирпич нецелесообразно. Для повышения прочностных показателей керамического кирпича могут дополнительно вводиться различные плавни. Плавни в технологии керамики играют важную роль, так как не только образуют стеклофазу, но и позволяют снижать температуру спекания и, следовательно, обжига изделий. Водопоглощение образцов, содержащих до 60 % отходов флотации, составляет 15-19 %, объясняется это тем, что происходит частичное образование закрытых пор в этих образцах.
Таким образом, в результате проведенных комплексных физикохимических и физико-механических исследований было установлено, что использование флотационных отходов и глины позволяет получить керамический кирпич на основе отходов флотационного обогащения, который можно отнести к классу эффективных керамических изделий. Оптимальным составом является состав № 4 (табл. 2), который позволяет сократить расход традиционного сырья на 60 %, а среднюю плотность, в свою очередь, на 41 %. Использование в строительстве таких эффективных керамических кирпичей позволяет снизить расход глинистых сырьевых компонентов и, следовательно, утилизировать больший объем отходов флотационного обогащения. Также немаловажным преимуществом является пониженная средняя плотность изделий, за счет которой можно снизить нагрузку на фундамент в несущих конструкциях.
Библиографический список
1. Рубан, В.А. Использование отходов углеобогащения в промышленности / В.А. Рубан. -М. : Недра, 1990. - 223 с.
2. Коробецкий, И.А. Генезис и свойства минеральных компонентов углей / И.А. Коробец-кий, М.Я. Шпирт. - Новосибирск : Наука, 1988. - 227 с.
3. Августиник, А.И. Керамика / А.И. Августиник - Л. : Стройиздат, 1975. - 592 с.
4. Горшков, В.С. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений / В.С. Горшков, В.Г. Савельев, Н.Ф. Федоров. - М. : Высш. шк, 1988.- 400 с.
5. Купряхин, А.Н. Стеновые материалы на основе суглинков и остеклованных микросфер: дис. ... канд. техн. наук. - Томск., 2005. - 145 с.
