CC BY
52
УДК 666.712:622.333-229.88
ЮРЬЕВ ИВАН ЮРЬЕВИЧ, аспирант, yiywork@mail com
СКРИПНИКОВА НЕЛЛИ КАРПОВНА, докт. техн. наук, профессор, nks2003@mail. ru
ВОЛОКИТИН ОЛЕГ ГЕННАДЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, volokitin_oleg@mail. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ НА СВОЙСТВА ОБЖИГОВЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Проведены исследования по использованию золошлаковых отходов в производстве строительных керамических изделий. Показано влияние степени помола зольных отходов на качественные характеристики материала. Определены физико-механические свойства лабораторных образцов керамических изделий в зависимости от компонентного и дисперсного состава. Установлено, что использование отходов ГРЭС-2 г. Томска в тонкомолотом состоянии позволяет получать керамические изделия плотностью 1650 кг/м3 и прочностью при сжатии 29,8 МПа.
Ключевые слова: керамический кирпич; зола; золошлаковые отходы; дисперсность; прочность.
IVAN YU. YUR'EV, Research Assistant, yiywork@mail. com
NELLIK. SKRIPNIKOVA, DSc, Professor, nks2003@mail. ru
OLEG G. VOLOKITIN, PhD, A/Professor, volokitin_oleg@mail. ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
PROPERTIES OF FIRED CERAMICS INFLUENCED BY MODIFIED ASH AND SLAG WASTE
This paper presents research carried out into ash and slag waste used in structural ceramics production. A degree of grinding of ash waste influences the qualitative behavior of material. Mechanical-and-physical properties of ceramic specimens were detected depending on their composition and dispersion. The use of fine wastes produced by hydropower plant in Tomsk-city provides to make ceramics having density of 1650 kg/m3 and compressive strength of 29,8 MPa.
Key words: ceramic brick; ash; ash and slag waste; dispersion; durability.
Производство стеновых керамических строительных материалов базируется, как правило, на глинах местных месторождений. Такие материалы
© И.Ю. Юрьев, Н.К. Скрипникова, О.Г. Волокитин, 2013
ограничены областью применения, это связано с химическим составом сырья, не всегда удовлетворяющим технологическим требованиям. Для расширения ассортимента получаемых материалов и улучшения их характеристик требуются исследования в области усовершенствования свойств сырья и технологии, а также использования модифицирующих добавок.
Одним из перспективных путей усовершенствования качества строительных керамических материалов является применение отходов теплоэнергетики, в частности, отходов ТЭС.
Применение золошлаковых отходов (ЗШО) электростанций, полученных при сжигании угля, изучалось не один десяток лет [1-3]. Несмотря на столь долгий срок и большое количество исследований, практическое применение ЗШО ограниченно. Это обусловлено тем, что получаемые изделия, хоть и немного, но уступают по своим характеристикам изделиям из природного сырья. Предприятиям экономически невыгодно модернизировать производство и использовать золу при отсутствии государственных программ по утилизации данных отходов.
Поэтому актуальными становятся исследования по модификации ЗШО для получения конкурентоспособных строительных керамических изделий.
В настоящей работе представлены результаты исследований, целью которых было получение строительных керамических изделий, в частности керамического кирпича, на основе отходов ТЭС, не уступающих по характеристикам существующим аналогам на основе глинистого сырья.
В качестве глинистого сырья использовались суглинки Верхового месторождения Томской области. Золошлаковые отходы, полученные при сжигании угля на Томской ГРЭС-2, взяты из золоотвала, расположенного в долине р. Малой Киргизки.
Предварительная подготовка сырья включала в себя сушку до воздушно-сухого состояния, помол глины в шаровой мельнице и отсев сырья для отделения крупных и некондиционных включений. Химический и гранулометрический составы основных компонентов приведены в табл. 1 и 2 соответственно [4].
Исходя из представленных в табл. 1 данных следует, что ЗШО имеют химический состав, отличающийся от глинистого сырья повышенным содержанием А1203, который, реагируя при обжиге с кремнеземом, приводит к образованию муллитоподобных соединений. Присутствующие оксиды железа (~5 %) предполагают образование большого количества первоначального расплава и комплексных соединений.
Таблица 1
Химический состав сырья
Наименование Содержание оксидов, масс. %
SiO2 ЛЪОз Fe2Oз СаО MgO R2O ТЮ2 п.п.п.
Глина 64,80 12,10 4,53 5,90 3,08 2,97 0,70 5,92
ЗШО 62,80 23,40 4,95 4,00 1,81 1,34 1,25 0,45
Таблица 2
Гранулометрический состав сырья
Наименование Группа дисперсности, мкм. Количество частиц в навеске, %
<3 3-5 5-7 7-10 10-14 >14
Глина 84,4 7,4 3,3 2,4 1,5 1
ЗШО 72,3 15,2 4,0 3,2 3,5 1,8
Гранулометрический состав сырья указывает на большое процентное содержание микродисперсных частиц, что способствует повышению пластичности сырьевой массы. Такое сырье обладает более высокой связностью, что положительно сказывается на прочностных показателях готовых керамических изделий.
Приготовление образцов керамического кирпича производили классическим методом полусухого прессования со следующими технологическими характеристиками: формовочная влажность 10 %, давление прессования 25 МПа, сушка 12 ч, температура обжига подбиралась экспериментально и составила 950 °С. Содержание золы в шихте изменяли от 10 до 100 % по массе.
Из ранее опубликованных результатов исследований [4] следует, что введение золы в шихту понижает прочность готовых изделий, а также ухудшает другие характеристики. Оптимальным можно считать составы с содержанием золы в шихте 40-60 %. При этом получаются изделия плотностью 1650-1550 кг/м3 с прочностью при сжатии 27-22 МПа.
Дальнейшие исследования направлены на изучение влияния степени помола ЗШО на прочностные характеристики керамических изделий.
Известно, что процесс измельчения сопровождается изменениями как гранулометрического, так и фазового состава сырья. Сырье проходит стадии разрушения природных агломератов, частичной аморфизации зерен с развитием в них дефектов, энергия которых обусловливает в дальнейшем образование новых агрегированных частиц, способствующих улучшению технологических свойств полиминерального сырья [5].
Известно, что для механической активации порошков необходимо использовать мельницы, в которых механический импульс от мелющего тела подводится одновременным сочетанием удара, давления и сдвига. Подобный характер нагружения обеспечивает высокую дисперсность, форму частиц, близкую к шарообразной, а также необходимый для твердофазных взаимодействий плотный контакт между частицами различных ингредиентов. К таким типам мельниц относятся барабанные (шаровые, стержневые), вибрационные (шаровые) и планетарные [6].
В нашем случае золошлаковые отходы в течение 24 ч подвергались помолу в барабанной шаровой мельнице с мелющими телами в виде стальных шаров разного диаметра. Каждые 4 ч бралась навеска молотого порошка и определялся гранулометрический состав методом слоевой седиментации частиц [7]. Данные по изменению гранулометрического состава приведены в табл. 3.
Таблица 3
Гранулометрический состав ЗШО в зависимости от времени помола
№ п/п Время помола, ч Группа дисперсности, мкм. Количество частиц в навеске, %
<3 3-5 5-7 7-10 10-14 >14
1 4 84,1 6,9 3,0 2,2 1,5 2,3
2 8 86,3 7,2 2,5 1,9 1,0 1,1
3 12 92,1 3,4 1,9 1,5 0,8 0,3
4 16 93,1 2,7 2,0 1,3 0,7 0,2
5 20 93,2 2,6 2,0 1,3 0,7 0,2
6 24 93,4 2,5 1,9 1,3 0,7 0,2
Из данных, представленных в табл. 3, видно, что самое эффективное измельчение наблюдается при длительности не более 12 ч. При помоле дольше 12 ч гранулометрический состав золы практически не меняется.
Это происходит в основном по двум причинам. Во-первых, тело по правилу Ле-Шателье стремится снизить свою энергию за счет обратных процессов конгломерации, слипания частиц под действием адгезионных сил. Во-вторых, получающиеся при измельчении всё более дисперсные порошки практически не разрушаются вследствие высокой прочности монокристаллических частиц малых размеров [8].
Полученный микродисперсный зольный порошок вводился в шихту в количестве 40-60 %. Влажность шихты при этом увеличили до 12 %, т. к. с увеличением дисперсности увеличилась гигроскопичность золы. Для получения гомогенной смеси применяли совместное кратковременное перемешивание в вибрационном смесителе. Следует отметить увеличение качества образцов после формования: более четкие края и ребра без каких-либо впадин и трещин. Это объясняется более плотной упаковкой смеси в результате большого количества микродисперсных частиц. Также определено положительное влияние степени помола на общую усадку готовых образцов, она снижается на 20-25 %.
В табл. 4 представлены физико-механические характеристики керамических образцов с использованием тонкомолотой золы.
В результате проведенных исследований определены оптимальные составы шихт с использованием золошлаковых отходов ГРЭС-2 г. Томска для получения строительных керамических изделий. Показана положительная динамика улучшения физико-механических и технологических свойств готовых изделий при использовании золы в тонкомолотом состоянии. Оптимальным можно считать состав с золой в количестве 50 %, молотой в течение 12 ч в барабанной шаровой мельнице, для получения изделий плотностью 1650 кг/м3, прочностью при сжатии 29,8 МПа и маркой по морозостойкости
не менее F50 (ГОСТ 7025-91). Данный состав можно рекомендовать для получения рядового кирпича разного типоразмера.
Таблица 4
Сравнительная таблица физико-механических свойств лабораторных образцов с использованием ЗШО разной степени помола
№ п/п Время помола, ч Содержание золы в шихте, % Плотность, кг/м3 Водопоглощение, % Предел прочности, МПа Марка по морозостойкости, не менее
при сжатии при изгибе
1 0 40 1650 17 27,1 7,7 F50
2 4 40 1650 16 27,1 7,8
3 50 1600 17 26,6 7,5
4 60 1550 19 21,0 7,1
5 8 40 1650 15 27,8 7,9
6 50 1600 16 26,3 7,7
7 60 1550 18 22,4 7,3
8 12 40 1750 13 31,1 8,1
9 50 1650 15 29,8 8,0
10 60 1600 17 24,3 7,7
Таким образом, золошлаковые отходы можно считать перспективным техногенным сырьем для использования при производстве строительных материалов и изделий.
Библиографический список
1. Волокитин, О.Г. Физико-химические исследования материалов при получении минеральных волокон из техногенных отходов по плазменной технологии / О.Г. Волокитин // Вестник ТГАСУ. - 2009. - № 4. - С. 100-107.
2. Тогидний, М.Л. Стеновые керамические изделия на основе алюмосиликатных отходов / М.Л. Тогидний // Вестник ТГАСУ. - 2010. - № 4. - С. 109-116.
3. Купряхин, А.Н. Получение теплоизоляционно-конструкционных материалов с добавлением техногенных отходов / А.Н. Купряхин // Огнеупоры и техническая керамика. -2004. - № 2. - С. 20-22.
4. Скрипникова, Н.К. Строительные керамические изделия на основе микродисперсных зо-лошлаковых соединений / Н.К. Скрипникова, И.Ю. Юрьев // Вестник ТГАСУ. - 2011. -№ 4. - С. 127-131.
5. Перспективные технологии переработки керамического сырья / А.В. Корнилов, Е.Н. Пермяков, Т.З. Лыгина, Ш.Х. Хайдаров // Стекло и керамика. - 2009. - № 1. -С. 23-25.
6. Прокофьев, В.Ю. Процессы измельчения и механохимической активации в технологии оксидной керамики (обзор) / В.Ю. Прокофьев, Н.Е. Гордина // Стекло и керамика. -2012. - № 2. - С. 29-33.
7. Ускоренный метод определения гранулометрического состава ультрадисперсных сред седиментационным методом / Б.Б. Квеско, Н.Г. Квеско, Г.Г. Савельев, Т.А. Юрмазова // Геологическое и горное образование. Геология нефти и газа: материалы Международной научно-технической конференции. - Томск, 2001. - С. 128-130.
8. Бакунов, В.С. Особенности получения высокоплотной керамики. Активность оксидных порошков при спекании / В.С. Бакунов, Е.С. Лукин // Стекло и керамика. - 2008. -№ 11. - С. 21-25.
References
1. Volokitin, O.G. Fiziko-khimicheskie issledovaniya materialov pri poluchenii mineral'nykh vo-lokon iz tekhnogennykh otkhodov po plazmennoi tekhnologii [Physicochemical properties of materials in synthesizing mineral fibers from plasma-technology industrial waste]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2009. No. 4. Pp. 100-107. (rus)
2. Togidnii, M.L. Stenovye keramicheskie izdeliya na osnove alyumosilikatnykh otkhodov [Silica-alumina wall ceramics]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2010. No. 4. Pp. 109-116. (rus)
3. Kupryakhin, A.N. Poluchenie teploizolyatsionno-konstruktsionnykh materialov s dobavleniem tekhnogennykh otkhodov [Production of heat insulating construction materials based on industrial waste]. Refractories & Technical Ceramics. 2004. No. 2. Pp. 20-22. (rus)
4. Skripnikova, N.K., Yur'ev, I.Yu. Stroitel'nye keramicheskie izdeliya na osnove mikrodisper-snykh zoloshlakovykh soedinenii [Building ceramics based on microdispersed ash and slag compounds]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2011. No. 4. Pp. 127-131. (rus)
5. Kornilov, A.V., Permyakov, E.N., Lygina, T.Z., Khaidarov, Sh.Kh. Perspektivnye tekhnologii pererabotki keramicheskogo syr'ya [Promising technologies of ceramic raw material pro-cessing].Glass and Ceramics. 2009. No. 1. Pp. 23-25. (rus)
6. Prokofev, V.Yu., Gordina, N.E. Protsessy izmel'cheniya i mekhanokhimicheskoi aktivatsii v tekhnologii oksidnoi keramiki (obzor) [Grinding and mechanochemical activation in oxide ceramics technology (review)]. Glass and Ceramics. 2012. No. 2. Pp. 29-33. (rus)
7. Kvesko, B.B., Kvesko, N.G., Savel'ev, G.G., Yurmazova, T.A. Uskorennyi metod opredeleniya granulometricheskogo sostava ul'tradispersnykh sred sedimentatsionnym metodom [Accelerated method of detecting particle size in ultrafine media by sedimentation method]. Geolog-icheskoe i gornoe obrazovanie. Proc. Int. Conf. 'Oil and Gas Geology'. Tomsk, 2001. Pp. 128-130. (rus)
8. Bakunov, V.S., Lukin, E.S. Osobennosti polucheniya vysokoplotnoi keramiki. Aktivnost' oksidnykh poroshkov pri spekanii [High-density ceramic production. Oxide powder activity in sintering].Glass and Ceramics. 2008. No. 11. Pp. 21-25. (rus)
