CC BY
26УДК 666.3
Г.Д. АШМАРИН, канд. техн. наук (ashmarin@list.ru), В.Г. ЛАСТОЧКИН, инженер, ЗАО «ВНИИСТРОМ им. П.П. Будникова» (п. Красково Московской обл.); В.В. ИЛЮХИН, генеральный директор, ОАО «Электроавтомат» (г. Алатырь, Чувашская Республика); А.Г. МИНАКОВ, генеральный директор, ООО «ИСК СПЕЦТЕХСТРОЙ»; А.В. ТАТЬЯНЧИКОВ, директор, ООО «Агентство «Казань — Интерконсалтинг» (Казань, Республика Татарстан)
Инновационные технологии высокоэффективных керамических строительных изделий на основе кремнистых пород
В последнее время публикуется много работ по совершенствованию технологии производства керамических стеновых материалов, вовлечению в технологический процесс нетрадиционного и техногенного сырья. В то же время такому важному виду сырья, как кремнистые породы, и их использованию как самостоятельно, так и совместно с отходами добычи и обогащения углей, зол ТЭЦ, шлаков не уделяется должного внимания.
Кремнистые породы (диатомиты, трепелы, опоки) благодаря наличию в их составе аморфной активной кремнекислоты обладают рядом ценных свойств: тонкопористой структурой, сравнительно малой средней плотностью и относительно низкой теплопроводностью. Совокупность указанных свойств предопределяет эффективное использование кремнистых пород в производстве строительных материалов, и в частности при производстве керамических изделий. Опыт показывает, что использование кремнистых и глинистых пород в смеси с углесодержащими отходами позволяет значительно улучшить физико-механические свойства керамики за счет создания в процессе обжига восстановительной среды и перехода трехвалентного железа в более легкоплавкое двухвалентное, что обеспечивает более интенсивное спекание при снижении температуры на 100—150оС.
Россия располагает крупнейшими запасами кремнистых пород. Запасы только разведанных месторождений оцениваются около 2,5 млрд м3 [1]. Наиболее значимые разведанные запасы по отдельным регионам России приведены в табл. 1.
Около миллиарда кубометров оцениваются и прогнозные запасы. Известно о скоплении нескольких миллиардов тонн углесодержащих отходов, количество которых из года в год увеличивается. Однако кремнистые породы и промышленные отходы до настоящего
времени не нашли должного применения в промышленности строительных материалов вообще и в производстве керамических стеновых материалов в частности, особенно при производстве пустотно-поризованной керамики с высокими теплозащитными свойствами. При производстве таких изделий в настоящее время уже ощущается нехватка природных поризующих материалов органического происхождения (опилок, гречишной и рисовой лузги и др.). При разработке оптимальных составов масс, соответствующих физико-химическим и технологическим свойствам исходных сырьевых материалов, наиболее перспективными заменителями пори-зующих добавок органического происхождения могут стать кремнистые породы (диатомиты, трепелы, опоки).
В последнее время нами изучены физико-химические свойства ряда месторождений кремнистых пород, глин и углесодержащих отходов, проведены исследования физико-химических свойств на лабораторных образцах. Данные табл. 2—4 показывают, что из масс оптимальных составов методом компрессионного формования можно получить образцы керамики с высокими физико-механическими свойствами.
Трепел Ново-Айбесиновского месторождения с высоким содержанием кальцита целесообразно использовать в смеси с глиной для производства пустотно-поризованной керамики по технологии пластического формования, добиваясь снижения массы изделия за счет не только количества вводимого в шихту трепела, но и потери массы при разложении СаСО3 в процессе обжига керамики и выделении СО2. При этом повышается прочность изделия за счет формирования мелкопористой структуры и образования волластонита.
На основании результатов лабораторных испытаний были выпущены изделия в производственных условиях
Таблица 1
Запасы разведанных месторождений кремнистых пород (опоки, трепелы, диатомиты) в регионах Российской Федерации, тыс. м3
Республики Области Края
Регион Мордовия Чувашия Коми Самарская Ульяновская Саратовская Курская Мурманская Волгоградская Пензенская Астраханская Владимирская Калужская Смоленская Московская Брянская Оренбургская Курганская Челябинская Свердловская Сахалинская Ростовская Ленинградская Краснодарский Хабаровский Приморский
Запасы 495201 10716 10872 47725 200521 62110 5060 41904 418709 4246 61699 18571 79232 23000 58582 329847 36046 8351 158895 135207 81351 21298 17754 20499 22774 9009
научно-технический и производственный журнал
Шеланговского кирпичного завода по технологии пластического формования. Из смеси глины Атратьевского месторождения и трепела Ново-Айбесиновского месторождения в массовом соотношении 1:1 при влажности шихты 24% была выпущена партия изделий 2НФ по ГОСТ 530—2007 со следующими физико-механическими свойствами (табл. 5). Как видно, при температуре обжига 1050оС получены камни 2НФ марки 125 плотностью 800 кг/м3. Следует отметить, что масса полученных изделий при равной пустотности на 1 кг меньше, чем заводские изделия, где в качестве поризующих компонентов используется гречишная шелуха.
На основании трепела Первомайского месторождения на гидравлическом прессе Орехово-Зуевского завода (с общим усилием 90 т) при удельном давлении 150 кг/см2 были сформованы кирпичи нормального формата с пустотностью 12% и обожжены при температуре 1050оС без предварительной сушки в отдельной сушилке. Был получен кирпич марки 100, плотностью 960 кг/м3. Обе партии кирпича выдержали 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания без потери массы и признаков разрушения.
Таким образом, по традиционной технологии пластического формования на основе легкоплавких глин и тре-
Таблица 2
Химический состав сырья
Наименование месторождения Порода Массовая доля компонентов, %
SiO2 ТЮ2 АЛ Fe2O3 МпО СаО МдО Na2O К20 Р2О5 SO3 общ. ППП Сумма
Ново-Айбесиновское (Чувашская Республика) Карбонатистый трепел 42,29 0,24 4,25 2 0,01 25,69 0,41 0,15 0,9 0,15 следы 23,66 99,75
Первомайское (Чувашская Республика) Трепел 71,85 0,5 8,68 3,62 0,01 3,79 1,29 0,15 2,06 0,47 следы 7,41 99,83
Огорь (Калужская обл.) Трепел 80,16 0,35 7,54 2,75 0,01 1,67 1,06 0,03 1,22 0,34 <0,05 4,82 99,85
Атратьевское (Чувашская Республика) Глина 68,61 0,83 12,37 5,27 0,07 1,33 1,07 0,89 2,11 0,11 0,3 7,1 100,06
Коркинский разрез (Челябинская обл.) Углеотходы (аргиллиты) 38,36 0,95 19,97 6,08 - 7,29 0,3 0,31 0,33 - 0,21 24,2 99,43
Таблица 3
Минеральный состав сырья
Наименование месторождения Порода Минеральный состав. Содержание, мас. %
Монтмориллонит Гидрослюда Каолинит Кварц Кальцит Цеолит ОКТ
Ново-Айбесиновское (Чувашская Республика) Карбонатистый трепел 14 9 <1 6 43 15 13
Первомайское (Чувашская Республика) Трепел 10 18 <1 8 1 32 31
Огорь (Калужская обл.) Трепел 28±2 2 2±1 5±1 - 16±3 47±6
Атратьевское (Чувашская Республика) Глина 43±3 6±1 7 43 1 - -
Коркинский разрез (Челябинская обл.) Углеотходы (аргиллиты) - 39 40 20±4 - - -
Таблица 4
Свойства обожженных образцов
Состав массы (пресс-порошка) Температура обжига, ОС Влажность пресс-порошка, % Средняя плотность, кг/м3 Предел прочности, МПа
при сжатии при изгибе
Ново-Айбесиновское - 50% Атратьевское - 50% 1050 11,5 1,21 45,9 8,5
Ново-Айбесиновское - 70% Атратьевское - 30% 1050 13 1,15 31,9 9,6
Первомайское - 100% 1050 15,5 1,12 37,2 8,1
Огорь - 100% 1050 16 1,09 35,7 9,3
Огорь - 50% Аргиллиты Коркино - 50% 950 10,7 1,17 41,3 14,5
Таблица 5
Физико-механические свойства камня 2НФ (250X120X140 мм) выпуска опытно-промышленной партии
Температура обжига, С Масса сырца, г Масса высушенного камня, г Усадка при сушке, % Усадка при обжиге, % Усадка общая, % Масса обожженного камня, г Водопо-глощение, % Прочность при сжатии, МПа
950 4650 3630 8,2 0,41 8,61 3304 14,76 11,2
1050 0,78 8,98 3270 14,18 12,6
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
июль 2011 29
Основные технологические схемы заводов компрессионного формования (основные агрегаты) 1. При использовании кремнеземистого сырья.
2. При использовании кремнеземистого сырья в смеси с углесодержащими отходами (аргиллитами).
Пакетировщик
Конус углеотходов —►
Смеситель Пресс-гранулятор - Агрегат подсушки Стержневая мельница
1 г
Пакетировщик Печь-сушилка Пресс формовочный Стержневой смеситель
3. При использовании отходов угледобычи и углеобогащения (аргиллитов с содержанием углерода до 8%).
Конус
пелов с высоким содержанием кальцита есть возможность производить достаточно прочные высокоэффективные керамические изделия. При оптимальном режиме прессования из пресс-порошков оптимального зернового состава и оптимальной влажности можно производить высокоэффективные изделия по упрощенной технологической схеме без громоздких шихтозапасников и сушилок.
Проведенные исследования и полученные результаты дают основание предложить строительство заводов по технологии компрессионного формования средней и малой мощностей 15—30 млн шт. кирпича нормального формата в год в сельской местности и сравнительно небольших городах, приближенных к сырьевой базе и потребителю.
Инновационность проекта подтверждена патентами: патент № 2397068 «Технологическая линия для производства керамических строительных изделий методом компрессионного формования», приоритет от 6 марта 2009 г., опубликован 20.08.2010 г. Б.И. № 23.; патент № 2406049 «Туннельная печь-сушилка», приоритет от 26 ноября 2009 г., опубликован 10.12.2010 г. Б.И. № 34; решение о выдаче патента по заявке на изобретение № 2010110474/03(014749) «Сырьевая смесь для изготовления керамических теплоэффективных строительных изделий» от 9 июля 2010 г.
Особенностями технологии являются подготовка пресс-порошка заданной влажности и гранулометрического состава, а также прессование изделий с влажностью на 2—2,5% ниже критической (относительной влажности кирпича-сырца в момент прекращения воздушной усадки), что позволяет осуществлять термическую обработку изделия в одном агрегате — специальной печи-сушилке.
Преимуществами технологии являются: — возможность использования всех разновидностей
глин, суглинков, опок, трепелов, диатомитов, слан-
цев, аргиллитов, всевозможные отходы промышленного производства, особенно отходы добычи и обогащения углей, некоторые отходы сельскохозяйственного производства;
— площадь и объем застройки производственных зданий по сравнению с технологией пластического формования сокращается в 2,5—3 раза за счет отсутствия отделения сушки с громоздким парком сушильных вагонеток и спецтранспорта, связанного с загрузкой и разгрузкой сушильных вагонеток, отсутствием шихтозапасника, упрощенной схемой подготовки пресс-порошка;
— сокращение дальности доставки кирпича до объекта строительства в 2—3 раза;
— возможность осуществления строительства нулевого цикла и стен малоэтажных домов из номенклатуры изделий одного завода. При этом стены за счет нормальной массы будут обладать способностью много и постепенно аккумулировать тепло и также его терять при похолодании, создавая тем самым наиболее комфортные условия для проживания людей, сохраняя их здоровье;
— сокращение затрат на строительство зданий и сооружений, затрат на приобретение комплекта оборудования, удешевление перевозки позволит в 2—2,5 раза снизить себестоимость продукции и значительно снизить стоимость строительства индивидуального жилья и объектов сельскохозяйственного назначения.
Ключевые слова: кремнеземистое сырье, углесодержащие
аргиллиты, компрессионное прессование, керамические тепло-
эффективные стеновые материалы, инновационные проекты.
Литература
1. Кремнистые породы СССР / Под ред. У.Г. Дистанова. Казань, 1976. С. 326-381.
научно-технический и производственный журнал
