Исследование материалов, полученных спеканием в системе «Глина - стеклобой» Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Жерновая Н. Ф., канд. техн. наук, проф., Дороганов Е. А., канд. техн. наук, проф., Жерновой Ф. Е., канд. техн. наук, Степина И. Н., студент

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ СПЕКАНИЕМ В СИСТЕМЕ «ГЛИНА - СТЕКЛОБОЙ»

[email protected]

В России ежегодно увеличиваются объемы не используемого вторичного боя и растут расходы на его захоронение. В связи с этим возрастает актуальность исследований по разработке технологии эффективных строительных материалов на базе стекольного боя и глины как пластичной составляющей шихты. В настоящей работе с использованием метода планирования эксперимента изучены свойства (объемная усадка, плотность, водопоглощение, пористость, прочность) материалов, полученных путем обжига в интервале от 800 до 1100 °С смесей глины и стеклобоя, количество которого изменялось от 10 до 80 мас.%. Полученные уравнения регрессии и номограммы могут быть использованы при разработке керамических и стеклокристаллических материалов с заданными свойствами, позволят оперативно и качественно создавать и совершенствовать новые строительные материалы различного назначения.

Ключевые слова: стеклобой, глина, прессование, обжиг, свойство, уравнение регрессии, номограмма, расчет, прогнозирование._

Ежегодно в нашей стране образуется около 40 млн тонн твердых бытовых отходов, в составе которых содержится от 3-х до 20% стеклобоя. Основной объем отходов стекла составляют различные виды стеклотары, до 5 % стеклобоя приходится на листовое стекло. Уровень переработки вторичного (образующегося в сфере потребления) стекольного боя в России заметно уступает показателям европейских стран и стран Северной Америки [1-4].

Утилизация вышедшей из употребления стеклянной тары может проводиться по трем направлениям:

— использование в качестве вторичного сырья при получении новой стеклотары;

— применение в качестве сырьевого компонента в производстве различных стройматериалов;

— вывоз в составе твердых бытовых отходов на полигоны.

В отсутствие системы раздельного сбора мусора и отлаженной технологии подготовки стеклобоя невозможно в полной мере наладить канал поставки кондиционного вторичного боя на стекольные заводы, где его использование наиболее эффективно [5]. В результате в нашей стране наблюдается ежегодное увеличение объемов не используемого вторичного боя и расходов на его захоронение.

За рубежом накоплен огромный опыт по сбору и переработке стеклобоя [6]. Причем успешная работа в этом направлении связана с высокой культурой населения и обширной информационной работой по привлечению его к программам вторичного использования ресурсов. Специализированные фирмы, занятые сбо-

ром стеклобоя, поставляют его стекольным заводам очищенным от примесей и размолотым до требуемых размеров.

За последние 20 лет в США, Канаде и Германии созданы проекты, в которых отходы тарного стекла эффективно используют для производства стекловолокна и пеностекла, стеновых материалов, применяют при строительстве автомобильных дорог [6].

Российские ученые также ведут активные исследования по производству строительных материалов с применением стекольного боя. Так, разработаны способы получения из пластичных и полусухих масс, содержащих от 10 до 85 мас. % стеклобоя, облицовочного кирпича, стеновой керамики, облицовочной плитки, пе-ностеклокерамики, ангобов (патенты России №№ 2070177, 2200721, 2111189, 2304121, 1479435, 2374191, 2158252 и др.), стеклокера-мита [7], многофункционального керамического строительного материала - керпена [8] и т.п.

Очевидно, что работы по использованию стеклобоя в производстве различных материалов и изделий обладают огромными потенциальными возможностями и интересны, прежде всего, тем, что ресурсы исходного сырья постоянно возобновляемы.

Основой большинства сырьевых композиций являются:

— глина - пластичная составляющая, обеспечивающая способность к образованию и сохранению формы;

— стекольный бой - плавень, снижающий температуру спекания и активно участвующий в формировании структуры и свойств обожженных материалов.

Выбор правильного соотношения между данными компонентами обеспечивает необходимые технологические характеристики сырьевой массы и эксплуатационные свойства конечного продукта.

Цель настоящей работы - синтез материалов путем спекания порошков в системе «глина - стеклобой» в широком диапазоне изменения соотношения компонентов и температуры обжига и регрессионный анализ их свойств. Предполагается, что полученные уравнения регрессии и номограммы, показывающие вклад отдельных независимых переменных в вариацию зависимой и предсказывающие ее значение, послужат надежной основой для разработки новых керамических материалов с использованием стеклобоя, а также позволят получать желаемый результат при меньших затратах времени и материалов.

В работе использованы:

— глина Латненского месторождения марки ЛТ1 ПК, главный минерал - каолинит; второстепенные - гидрослюды и монтмориллонит, химический состав, мас. %: 61,01 8Ю2; 1,71 ТЮ2; 25,52 АЬОз; 1,00 Ре20з; 0,39 СаО; 0,29 ЫеО; 0,37 ^0; 0,36 К2О; 9,35 п.п.п., огнеупор-

ность - не ниже 1730°С. Обладая двумя необходимыми свойствами - пластичностью и спекае-мостью, глина выполняет в исследуемых шихтовых композициях роль связки на стадии формования и омоноличивания образцов;

— смешанный бой тарного стекла примерного состава, мас. %: 72,5 8Ю2; 2 А1203; 8 СаО; 3,5 Mg0; 14 Ка2О, обеспечивает необходимые условия формования, сокращает усадку при сушке, снижает температуру спекания, формирует при обжиге стеклокристаллическую структуру, обладающую определенным набором свойств.

Задача решалась методом постановки многофакторного эксперимента, матрица которого представлена в табл. 1. Количество стекольного боя в смесях изменяли в широких пределах - от 10 до 80 мас. %. В связи с этим были составлены две матрицы с изменением концентрации стеклобоя от 10 до 40 мас. % - в первой серии экспериментов, от 50 до 80 мас. % - во второй серии. В каждой серии опытов исследовали по 9 составов, варьируемые независимые переменные: содержание стеклобоя - Х и температура обжига - У.

Таблица 1

Номер 1-я се рия 2-я серия

Количество стеклобоя, мас. % Температура обжига, °С Количество стеклобоя, мас. % Температура обжига, °С

1 10 800 50 800

2 40 800 80 800

3 10 1100 50 1100

4 40 1100 80 1100

5 10 950 50 950

6 40 950 80 950

7 25 800 65 800

8 25 1100 65 1100

9 25 950 65 950

Все смеси готовили в количестве 100 г путем тщательного перемешивания измельченных (проход через сито с сеткой №008) компонентов. Вначале сырьевые материалы смешивали

всухую, затем увлажняли до 7%. Из полусухой

массы прессовали плитки размером 20*20*7 мм, высушивали и обжигали в течение 1 ч согласно табл. 1. Обожженные плитки представлены на фото (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид плиток 1-й серии после обжига

Функциями отклика выбраны свойства относительная погрешность измерения не пре-обожженных материалов: объемная усадка (АУ), вышала допустимых значений, в табл. 2 пред-кажущаяся плотность (ркаж), открытая пори- ставлены средние значения. Составы 2-й серии стость (Поткр) , водопоглощение (В) и предел 2-4 и 2-8 при обжиге расплавились и показали прочности на сжатие (осж). Определения для нулевые значения водопоглощения и открытой каждого состава выполнены на трех плитках, пористости.

Таблица 2

Свойства плиток в зависимости от количества стеклобоя и температуры обжига

Номер Стеклобой, мас. % X Т, оС У АУ % Pкаж, 3 г ' см В, % Поткр, % МПа

1-я серия

1 10 800 4,2 1,79 16,88 30,59 16,0

2 40 800 3,2 1,84 13,75 26,65 11,7

3 10 1100 3,4 1,85 14,70 28,41 18,2

4 40 1100 12,1 2,00 3,04 6,38 199,2

5 10 950 2,3 1,85 15,99 30,37 11,7

6 40 950 6,3 1,83 13,47 26,23 19,9

7 25 800 3,3 1,77 15,67 30,68 16,6

8 25 1100 14,2 1,99 9,52 19,79 60,0

9 25 950 6,7 1,86 14,52 28,29 36,8

2-я серия

1 50 800 1,59 1,74 16,48 29,56 Не определена

2 40 800 4,09 1,64 13,26 24,82

3 10 1100 19,14 2,08 0,937 2,08

4 40 1100 - 2,34 0 0

5 10 950 9,14 1,92 5,34 11,21

6 40 950 13,37 2,00 4,52 9,55

7 25 800 4,53 1,87 13,07 24,73

8 25 1100 - 2,35 0 0

9 25 950 8,60 1,92 10,65 21,01

Математическая экспериментальных результатов позволила установить аналитические зависимости для расчета свойств обожженных 1-я серия составов:

материалов системы «глина - стеклобой» в указанных пределах варьирования независимых параметров Х и Y.

АУ = 8,9294 + 2,4125X1 + 4,0775Y + 2,2137ХY - 3,9292Х2 + 0,0858У2 ркаж = 1,8664 + 0,0378Х1 + 0,0757Y + 0,028XY - 0,0232Х2 + 0,0213У2 В = 14,9867 - 3,0783X1 - 3,335У - 2,385XY - 0,395Х2 - 2,625У2 Поткр = 29,1022 - 5,3233Х1 - 5,5717У - 4,9875XY - 1,2033Х2 - 5,1483У2 оСж = 1,7567 + 3,1383X1 + 3,93^ + 4,5475XY + 0,785Х2 + 3,035У2 2-я серия составов:

АУ = 10,0483 + 2,115Х1 + 9,2779Y + 0,865XY + 0,4825Х2 + 2,3112У2

ркаж = 2,0089 + 0,04X1 + 0,2533Y + 0,09XY - 0,0933Х2 + 0,0567У2 В = 14,9867 - 0,8295Х1 - 6,9788Y + 0,5708XY - 1,1505Х2 + 0,4545У2 ПоТкр = 15,5078 - 1,4133X1 - 12,8383Y + 0,665XY - 2,3767Х2 - 0,3917У2

откр

В представленных уравнениях X и Y выражены в кодированных переменных, предел варьирования которых изменяется от -1 до +1. Для решения уравнений следует пересчитать натуральные значения параметров в кодированные по выражениям:

для 1 -й серии составов: (Кт - 25).

Например, при расчете водопоглощения (В) керамики, полученной путем обжига при 980°С смеси огнеупорной глины и боя тарного стекла, взятых в соотношении 66:34. Значения переменных в кодированных единицах будут равны:

X. .= (34-251 = 0,6;

У = (980 - 950) = 0,2.

XI =-

15

У„ =

(Уат - 950) .

150 ;

для 2-й серии составов:

(Х2 - 65) (У - 950)

ау^ 2 _ у нат__ ^ нат '

код 1 - ; код

15

150

15 ™д 150

В = 14,9867 - 3,0783-0,6 - 3,335-0,2 -2,385-0,6-0,2 - 0,395(0,6) 2 - 2,625(0,2)2 = 11,9.

Результаты решения полученных уравнений регрессии для 1 -й и 2-й серии составов были представлены 3D-поверхностями и номограммами в виде изолиний исследованных свойств в координатном поле варьируемых переменных

«стеклобой - температура». Объемные изображения создают наглядное представление об основных тенденциях изменения свойств. Номограммы дают возможность быстро и точно определить величину любого из исследованных свойств при заданных значениях параметров. На рис. 2 показаны номограммы водопоглоще-ния материалов, например, можно определить водопоглошение плитки, спрессованной смеси (66 % глины и 34% стеклобоя) и обожженной при 980°С (1-я серия).

Серия 1

1100

ю so

Р 1000

Щ 950 |2 №0 450 000

10 15 20 25 10 1 35 40 Содержание стекло&оя, %

Серия 2

1100

■1050 -

р 1000 -я

в 950 -—

и С 3

V 900 -

350

воо

50 55 Б0 05 70 75 40

Содержание стеклобоя, % Рис. 2. Номограммы для расчета водопоглощения материалов

Процесс получения из пористой непрочной заготовки-сырца монолитного керамического или стеклокристаллического материала является достаточно сложным и в зависимости от состава шихты, природы ее отдельных компонентов, режима обжига может протекать по типу жидко- и твердофазного спекания. Анализ полученных зависимостей изменения свойств позволяет предположить, что в системе «глина -стеклобой» спекание происходит, в основном, по жидкофазному механизму, при этом источником жидкой фазы является стекольный бой [9]. Для тарного стекла температура текучести, определяемая вязкостью 108 Па-с, равна 670°С, следовательно при температурах обжига (от 800 до 1100°С) стекло находилось в жидком состоя-

нии. В то же время значение вязкости существенно зависит от температуры, так при 800°С оно составляло 1056 Па-с, а при 1100°С - на три порядка меньше, 1026 Па-с.

Полученные аналитические и графические зависимости послужат ориентиром при разработке составов масс на базе композиций «глина - стеклобой» и получении керамических и стек-локристаллических материалов с заданными свойствами. Следует отметить, что отклонение от принятых в работе условий эксперимента, например, использование различных типов глины, введение в состав массы дополнительных ингредиентов (песок, зола, шлак, каменная пыль и др.), изменение режима обжига, давления прессования и т.п. в определенной мере будет снижать точность априорной оценки свойств разрабатываемых материалов по полученным уравнениям регрессии и номограммам. В то же время основной тренд будет сохраняться, что позволит более оперативно и качественно создавать и совершенствовать материалы на базе системы «глина - стеклобой».

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Отходы стекла и проблемы их переработки// Стеклянная тара. - 2011. - 1. - С.

2. Маркетинговое исследование рынка переработки стеклобоя (отходов стекла). - М., 2011. - 57 с.

3. Мелконян Р.Г. Организация системы заготовки и переработки стеклобоя/ Р.Г. Мелко-нян// Стеклянная тара. - 2000. - №8. - С.10-11.

4. Рынок переработки отходов стекла// Стеклянная тара. - 2012. - №1. - С.

5. Минько Н. И. Технологические, энергетические и экологические аспекты сбора и использования стеклобоя/ Н. И. Минько, В. Н. Болотин, Н.Ф. Жерновая //Стекло и керамика. -1999. - №5. - С. 3-6.

6. Деревянко А.В. Зарубежный опыт сбора и переработки стеклобоя/ А.В. Деревянко, И.Г. Степанчикова // М., ГУП «Экотехпром». URL: http: //www.eco-pro.ru/db/ecopolitic/33/show/ (дата обращения 20.04.2012).

7. Использование стеклобоя. Стеклокера-мит. URL: http://www.cristalny.ru/ispolzovanie-stekloboya-steklokeramit.html (дата обращения 14.04.2012).

8. Бакунов В.С.. Многофункциональный керамический строительный материал - керпен/ В.С. Бакунов, В.А. Кочетков, А.В. Надденный, Б.С. Черепанов, Е.М. Шелков// Строительные материалы. - 2004. - №11. - С. 10-11.

9. Туленбаев Ж. С. Спекание смесей порошков в системе ФКС - глина - стеклобой. Та-разский государственный университет им. М.Х. Дулати, Казахстан. URL: http://www.rusnauka.com/16 ADEN 2010/Stroitel stvo/68873.doc.htm (дата обращения 22.04.2012).