Исследование структуры пористости керамзита на основе отходов флотации углеобогащения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОРИСТОСТИ КЕРАМЗИТА ИА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ФЛОТАЦИИ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ

В.А. Куликов, В.З. Абдрахимов, И.В. Ковков

СамГАСУ,

Самарская академия государственного и коммерческого управления

Исследования показали, что применение метода укрупненных показателей С.А. Салтыкова дает возможность получить количественную оценку макроструктуры керамзита и в сочетании с физико-техническими его показателями позволяет объективно оценить комплекс свойств, которыми могут обладать пористые заполнители.

Researches have shown, that application of a method of the integrated parameters of S.A. Saltykov enables to receive a quantitative estimation of a macrostructure clayite and in a combination to his physic-technical parameters allows estimating objectively a complex of properties which porous fillers can possess.

В настоящее время в связи с интенсификацией строительства, значительно возросла потребность в легких пористых заполнителях, типа керамзита. Керамзит - пористый керамический заполнитель, занимающий первое место по объему производству в России среди легких заполнителей.

Добыча и переработка природного минерального сырья связана с образованием больших количеств различных промышленных отходов, накопление которых приводит к ухудшению экологической обстановки в регионах. Одним из аспектов решения этой актуальной проблемы является применение техногенного сырья в керамических материалах.

Исследованиями, проведенными ранее авторами работы [1] установлено, что оптимальной температурой вспучивания растворимого натриевого стекла (РНС), модифицированного хлоридом натрия (ХН), с точки зрения получения вспученных гранул (ВГ), является термообработка при 250-300 °С. Но полученный таким образом материал обладает низкой прочностью при сжатии, что ограничивает его область применения [2]. Авторами работы [2] была изучена возможность повышения прочности легкого заполнителя на основе модифицированной хлоридом натрия РНС, путем введения в сырьевую смесь глины.

В работах [3-4] была показана принципиальная возможность повышения прочности керамзита, полученного на основе модифицированного хлоридом натрия РНС, путем введения в сырьевую смесь отходов флотации углеобогащения и монтморилло-нитовой глины. Химический состав отходов флотации углеобогащения и монтморил-лонитовой глины Смышляевского месторождения представлены в таблице 1, а технологические свойства глинистого сырья в таблице 2 [3, 5].

Производство керамзита осуществлялось по традиционной технологии: из оптимального состава, мае. %: отходы флотации углеобогащения - 40, монтмориллонитовая глина Смышляевского месторождения - 40, хлорид натрия - 2,6 (как и в работе [1]) жидкое стекло 17,4. Керамзит гранулировался и подвергался термообработке при температуре 950 °С (учитывая, что в интервале температур 550-900 °С распадается каолинит, содержащийся в отходах флотации и монтмориллонит в смышляевской глине) [4]. За счет использования в

составах керамических масс модифицированного жидкого стекла температура вспучивания керамзита снижается более чем на 200 °С (таблица 2). Результаты физико-механических показателей полученного керамзита приведены в таблице 3.

Таблица 1 - Химический состав отходов углеобогащения и монтмориллонитовой

глины

Компоненты Содержание оксидов, мае. %

БЮ2 А12О3 Бе2Оз СаО МяО И^О БОз п.п.п.

Отходы углеобогащения 50,40 18,56 6,4 1,51 0,50 4,78 0,90 16,5

Монтмориллонитовая глина 57,5 15,6 4,2 2,1 7,3 3,5 0,5 7,8

Таблица 2 - Технологические свойства монтмориллонитовой глины

Число пластичности Содержание глинистых частиц (размером менее 0,005) мм Огнеупоров ность С По спекаемости Оптимальная температура вспучивания, 0С Температурный интервал вспучивания, 0С

25-45 55-65 1150-1200 Не спекается (вспучивается) 1160 200

Таблица 3. - Физико-механические показатели керамзита

Диаметр гранул, мм 5-9

Прочность при сжатии, МПа 2,2-2,5

Средняя плотность в куске, г/см3 0,55-0,75

Насыпная плотность, кг/м3 0,450-0,550

Рентгенофазовый состав керамзита проводился на дифрактометре ДРОН - 6 с использованием СоКа- излучения при скорости вращения столика с образцом 1 град/мин. На рисунке 1 представлена рентгенограмма исследуемого керамзита.

Рисунок 1- Рентгенограмма керамзита

На дифрактометре порошка отмечаются характерные интенсивные линии ^/п = 0,185; 0,254; 0,342 и 0,443 нм) кварца, присутствие линии (а/п = 0,192; 0,201 и 0,403 нм) обусловлено кристобалитом, линии ^/п = 0,211; 0,220; 0,270; 0,376 и 0,540 нм) муллитом, ^/п = 0,209; 0,224 и 0,321 нм) анортитом, ^/п = 0,244 и 0,365 нм) гематитом, ^/п = 0,370; 0,477 и 0,499 нм) нефелином, ^/п = 0,254 нм) магнетитом. О повышенном содержании стеклофазы в исследуемом керамзите свидетельствует соотношение интегральных площадей аморфного гало и дифракционных отражений на рентгенограммах.

Как видно из рентгенограммы (рисунок 1), при обжиге керамзита образуются новые минералы, кристобалит, анортит, муллит, гематит, магнетит и нефелин.

Эффективность применения пористых материалов в качестве теплоизоляционных зависит, как известно, от распределения в них пор. Усредненные значения распределения пористости в различных теплоизоляционных материалах приведены в таблице 4 (данные, приведенные в таблице 4, взяты из работы [7]).

Таблица 4 - Распределения пористости в теплоизоляционных материалах [7]

Материал Усредненные значения пористости, %

открытая закрытая общая

Газобетоны 34,5 21 55,5

Пенобетоны 24,5 32,75 57,25

МВИ 57,25 0,5 57,75

Перлитовые 42,75 15,5 58,25

Ячеистое стекло 5,75 54 59,75

Пенопласты 17,25 46,75 64,0

Стеклопоровые 43 21,75 64,75

Из таблицы 4 видно, что наибольшей пористостью обладают «стеклопоровые» материалы.

Волокнистые материалы для своего производства требуют либо природных сырьевых материалов, имеющих волокнистое строение, либо использование сложных технологий, требующих дорогостоящего оборудования, высоких температур и, как следствие, высоких энергозатрат, так как вытягивание волокон происходит из расплавов [7]. Кроме того, эксплуатация волокнистых материалов зависит также от их увлажнения не только во время эксплуатации, но и в период их установки.

Хотя зернистые материалы с высокопористой структурой, имеют преимущество перед волокнистыми, как по характеристикам сырья, так и по преобладанию в их структуре закрытой пористости, но и они для изготовления формованных изделий требуют использования связующего, что приводит к повышению плотности, особенно при изготовлении изделий плотной структуры, и, как следствие, к ухудшению теплоизоляционных характеристик [7].

Поэтому одной из задач, стоящих перед разработчиками эффективных теплоизоляционных материалов, является задача оптимизации структуры материалов, т.е. создание структуры, в которой плотность всех составляющих была минимальна, пористость была представлена мелкими закрытыми и равномерно распределенными порами [7].

Полученные гранулы керамзита из оптимального состава на основе отходов флотации углеобогащения, монтмориллонитовой глины и модифицированного жидкого стекла на наш взгляд отвечают таким требованиям (рисунок 2,6).

2/2010 ВЕСТНИК

Рисунок 2 .Пористый заполнитель (керамзит): а - общий вид; б - в разрезе

Истинная пористость (общая) исследуемого керамзита находится в пределах 6575 %, пористость кажущаяся (открытая) до 65, а предельное значение закрытой пористости может достигнуть 20 %.

При одном и том же характере макроструктуры существенное влияние на физико-технические свойства могут оказывать размеры пор, размах распределения пор по размерам, степень их эллиптичности и т.д. [8].

Таким образом, как при исследовании свойств теплоизоляционных изделий, так и при их создании с регулируемой пористостью и заданным комплексом физико-технических свойств необходимо выбрать методы, дающие возможность наиболее полно и точно характеризовать макроструктуру керамзита.

Для исследования структуры пористости исследуемого керамзита был использован метод растровой микроскопии. На рисунке 3 представлена фотография поверхности скола исследуемого образца.

Рисунок 3. Макроструктура поверхности скола керамзита.

Увеличение х100

В исследуемом керамзите имеют место преимущественно - изолированные изометрические иногда овальные поры размером 3-10 мкм (рисунок 3). Кроме того, присутствуют сравнительно редко крупные поры (до 40 мкм) овальной формы, но также обычно изометричные поры типа «каналов». Именно эти поры, по всей видимости, как считает автор работы [8] определяют водопоглощение строительных материалов.

Исследования показали, что в изучаемом керамзите встречаются также узкие ще-левидные поры и группы соединяющих пор весьма причудливой формы. Изометрические закрытые поры также присутствуют, но их значение в общей пористости структуры сравнительно невелико. Щелевидные поры, как правило, узкие (2-5 мкм), обычно изогнутые, серповидные, но иногда прямолинейные.

Многочисленными исследованиями показано, что распределение диаметров частиц фазы внедрения в матричных системах подчиняется логарифмически нормальному закону распределения [9]. Исходя из этого, распределение диаметров пор по размерам, видимо, также можно описать логарифмически нормальным законом распределения, применив метод укрупненных показателей С.А. Салтыкова [10]. Формула логарифмически нормального закона распределения имеет следующий вид:

Ж г (1п Б' - ШБ)2

N =

л/2лтст(1п Б)

ехр

2а2(1п Б)

(1)

N1 - число пор 1-ой группы в 1 мм материала;

N - общее число пор всех размеров в 1 мм3 материала;

А - цена или шаг, разбивки;

1пБ - средний логарифм диаметров пор;

о(1пБ) - среднее квадратичное отклонение логарифмов диаметров пор; Б; - диаметр пор 1-ой группы, мм.

Для определения величин, входящих в формулу (1), необходимо оценить общее число сечений (п) на единицу площади аншлифа, суммарный объем пор (XV) и суммарную поверхность пор (£Б) в единице объема материала [9]. Найти эти характеристики можно, используя микрофотографии. При этом п подсчитывается непосредственно, XV определяется линейным или точечным методом, - методом случайно секущих [9].

Общее число пор в единице объема определяется по формуле

Г - Л3

N = 6л'

V

п

ЕУ,

(2)

Средний диаметр пор:

— п

Б =

N'

(3)

Среднее квадратичное отклонение диаметров пор:

а(Б) =1^ - (Б)2, (4)

V ^

Среднее квадратичное отклонение логарифмов диаметров пор:

о-(1п Б) =

Средний логарифм диаметров пор:

1п

1 +

Б) ( Б)2

(5)

1п Б = 1п Б - 0,5а (1п Б),

(6)

При подстановке полученных результатов в формулу (1) вычисляется число пор каждой размерной группы в зависимости от их диаметра [9]. Полученное распределение пор по размерам может быть выражено в аналитической (формула 7), так и в графической (как в нашем случае) форме (рисунок 4).

(1п- 0,1612)2

N¡ = 1,438A exp

0,1069

(7)

Ni

0,16 0,12 0,09 0,06 0,03 0

0,5 0,25 0 0,25 0,5 0,75 1,0 1,25

\.пО\

Рисунок 4. Распределение пор по размерам в единице объема керамзита

Таким образом, применение метода укрупненных показателей С.А. Салтыкова дает возможность получить количественную оценку макроструктуры керамзита и в сочетании с физико-техническими его показателями позволяет объективно оценить комплекс свойств, которыми могут обладать пористые заполнители.

Литература

1. Мизюряев, С.А. Термическая вспучиваемость гидротированных силикатов натрия / С.А. Ми-зюряев, Н.В. Иванова, А.Н. Мамонов // Материалы 66-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР университета за 2008 г. «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика.» Самара. СГАСУ. -2009. -С. 193-194.

2. Мизюряев, С.А. Регулирование основных характеристик пористого заполнителя на основе РНС / С.А. Мизюряев, Н.В. Иванова, А.Н. Мамонов // Материалы 66-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР университета за 2008 г. «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика.» Самара. СГАСУ. -2009. -С. 197.

3. Денисов, Д.Ю. Пат. 2362749 Российская Федерация, МПК С04В 14/24. Композиция для производства пористого заполнителя. / Д.Ю. Денисов, И.В. Ковков, В.З. Абдрахимов, Л.В. Журавль; заявитель и патентообладатель Самарский государственный университет; заявл. 03.12.2007. опубл. 27.07.2009. Бюл. - 2009. №21.

4. Денисов, Д.Ю. Использование отходов флотации углеобогащения в производстве керамзита / Д.Ю. Денисов, И.В. Ковков, В.З. Абдрахимов //Башкирский химический журнал. 2008. Том 15. -№2. -С. 107-109.

5. Абдрахимов, В.З. Изменение фазового состава керамзита из смышляевской глины Самарской области при различных скоростях охлаждения // Строительный вестник Российской инженерной академии. -2009. -Вып. 10. - С. 18-22.

6. Абдрахимов, В.З. Теоретические и технологические аспекты использования техногенного сырья в производстве теплоизоляционных материалов / В.З. Абдрахимов, Д.Ю. Денисов. Самара: Самарская муниципальная академия управления. -2010. -72 с.

7. Мизюряев, С.А. Структура теплоизоляционных материалов / С.А. Мизюряев, А.Н. Мамонов // Материалы 66-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР университета за 2008 г. «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» Самара. СГАСУ. -2009. -С. 205-206.

8. Павлов, В.Ф. Физико-химические основы обжига изделий строительной керамики / В.Ф. Павлов. М.: Стройиздат. -1977. -272 с.

9. Давидович, Д.И. Методы исследования макроструктуры стеклокристаллических и минерализованных пен /Д.И. Давидович, Д.Е. Павлов, Б.С. Черепанов // Тр. Ин-та НИИстройкерамики. «Научные исследования по повышению качества продукции строительной керамики». М.: «НИИСТРОЙКЕРАМИКА». 1979. -С. 99-107.

10. Салтыков, С.А. О расчете кривой распределения размеров пространственных зерен / С.А. Салтыков // Заводская лаборатория. -1949. -Том 15. -№11. -С. 1317-1319.

Ключевые слова: отходы обогащения, монтмориллонитовая глина, керамзит, пористость, структура пористости, макроструктура, изометрические поры, щелевидные поры

Key words: waste products of enrichment, montmorillonite clay, clayite, porosity, structure of porosity, a macrostructure, isometric pore, slit-like pore

Рецензент: Журавель Леонид Васильевич, кандидат технических наук, доцент. Самарский государственный университет.

e-mail аторов: samarastroy@list.ru, kovkoviv@mail.ru, 3375892@mail.ru