CC BY
24УДК 691.42:552.55
В.Д. КОТЛЯР, д-р техн. наук ([email protected]), Г.А. КОЗЛОВ, канд. техн. наук ([email protected]), О.И. ЖИВОТКОВ ([email protected]), К.А. ЛАПУНОВА, канд. техн. наук ([email protected])
Донской государственный технический университет (344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1)
Перспективы использования кремнистых опоковидных пород для производства дорожного клинкерного кирпича низкотемпературного спекания
Представлены результаты работ по изучению возможности получения дорожного клинкерного кирпича на основе кремнистых опоковидных пород. Дана общая характеристика данных пород и их карбонатно-глинистых разновидностей. Показано, что ввод минерализаторов в количестве 1% позволяет получить изделия с водопоглощением менее 2,5% при температуре обжига 1050-1100оС. Получаемые изделия отвечают требованиям нормативных документов и имеют желтый или темно-желтый цвет. Установлено, что основными технологическими факторами при производстве клинкерного кирпича являются температура обжига изделий, степень измельчения исходной породы и количество минерализующей добавки. Учитывая свойства глинисто-карбонатных опок, способ производства изделий может быть как экструзионный, так и компрессионный. Технико-экономические расчеты показали высокую эффективность инвестиций в производство дорожного клинкерного кирпича на основе опок.
Ключевые слова: дорожный клинкерный кирпич, опока, минерализатор, зерновой состав, обжиг, прочность, водопоглощение.
Для цитирования: Котляр В.Д., Козлов Г.А., Животков О.И., Лапунова К.А. Перспективы использования кремнистых опоковидных пород для производства дорожного клинкерного кирпича низкотемпературного спекания // Строительные материалы. 2018. № 4. С. 13-16.
V.D. KOTLYAR, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]), G.A. KOZLOV, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]), O.I. ZHIVOTKOV, ([email protected]), K.A. LAPUNOVA, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]) Don State Technical University (1, Gagarina Square, Rostov-on-Don, 344000, Russian Federation).
Prospects of the Use of Siliceous Opoka-Like Rocks for Production of Paving Clinker of Low-Temperature Sintering
Results of the study of possibilities to produce the paving clinker on the basis of siliceous opoka-like rocks are presented. The general characteristic of these rocks and their carbonate-clayey types is given. It is shown that the introduction of mineralizers in the amount of 1% makes it possible to produce products with water-absorption less than 2.5% at a burning temperature of 1050—1100oC. The products obtained meet the requirements of normative documents and have a yellow or dark-yellow color. It is established that the main technological factors when producing the clinker brick are the burning temperature of products, the degree of grinding of the initial rock and the amount of mineralizing additive. Taking into account the properties of clay-carbonate flasks, the method for producing products can be both as an extrusion and compression. Technical-economic calculations show a high efficiency of investments in the production of road clinker brick on the basis of flasks.
Keywords: paving clinker, opoka, mineralizer, grain composition, burning, strength, water absorption.
For citation: Kotlyar V.D., Kozlov G.A, Zhivotkov O.I., Lapunova K.A. Prospects of the use of siliceous opoka-like rocks for production of paving clinker of low-temperature sintering. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 4, pp. 13-16. (In Russian).
Увеличивающийся с каждым годом спрос на клинкерную керамику в нашей стране в основном покрывается за счет поставок этой продукции из-за рубежа. Сложившаяся ситуация во многом связана с ограниченными запасами спекающихся глин, являющихся традиционной сырьевой базой для производства клинкерной продукции, а также с отсутствием производственных мощностей, способных производить клинкерную керамику при повышенной температуре. Поэтому изыскание сырьевых материалов и разработка технологий производства клинкерной керамики низкотемпературного спекания — до 1100оС, с требуемыми эксплуатационными и эстетическими показателями является важной народнохозяйственной задачей для нашей страны в области импортозамещения и развития стройиндустрии. Получение клинкерного дорожного кирпича при температуре до 1100оС, помимо снижения затрат на обжиг, позволяет организовать производство на существующих печах для обычного керамического кирпича. Печи с температурой обжига выше 1100оС существенно дороже при строительстве, так как они более материало-емки и для них используются огнеупоры более высокого класса.
Многолетние исследования, проводимые на кафедре «Строительные материалы» Академии строительства
и архитектуры Донского государственного технического университета, показали перспективность использования кремнистых опоковидных пород в производстве различных изделий строительной керамики [1—4]. Задачей данных исследований является оценка кремнистых опоковидных пород как сырья для производства дорожного клинкерного кирпича.
Опоки — это обширная группа пород, особенностями которых является преобладание в составе опал-кри-стобалитового кремнезема, тонкопористая структура, низкая средняя плотность (1200—1600 кг/м3), невысокая прочность, неразмокаемость или плохая размокае-мость в воде. Цвет опок изменяется от желтого, желто-серого, буро-серого до темно-серого. Залегают опоки обычно на возвышенных участках, около поверхности, являясь рельефообразующими отложениями, на малоценных в сельскохозяйственном отношении землях. Месторождения опок отличаются большой мощностью полезного ископаемого — десятки метров, а также выдержанностью состава.
Помимо опалового кремнезема в опоках присутствуют глинистые минералы, тонкодисперсные карбонаты, цеолиты и другие горные породы. В зависимости от содержания того или иного компонента выделяют различные разновидности опок — глинистые, карбо-
j'^J ®
научно-технический и производственный журнал
апрель 2018
13
35
30
т- 25
ч
о ш
0 900
950
1100
1150
1000 1050
Температура обжига, оС
Рис. 1. Влияние степени измельчения и температуры обжига на водопоглощение образцов 1 - 0-1,25 мм; 2 - 0-0,63 мм; 3 - 0-0, 315 мм; 4 - 0-0,16 мм
натные, глинисто-карбонатные и др. [5]. Результаты ранее проведенных исследований, а также предварительные результаты данных исследований показали, что для клинкерного кирпича наиболее пригодными являются глинисто-карбонатные опоки. Данные разновидности опок характеризуются присутствием глинистых минералов, преимущественно из группы гидрослюд, в количестве 20—40%, а также присутствием тонкодисперсных карбонатов (размер частиц менее 0,05 мм) в количестве 10—20% [6—9]. Отличительной особенностью опок является существенное влияние на свойства изделий помимо температуры обжига степени измельчения исходного сырья. На рис. 1 показано влияние степени измельчения и температуры обжига на водопоглощение образцов пластического формования на примере глинисто-карбонатной опоки Авиловского месторождения.
Как видно на представленных кривых, водопогло-щение обожженных образцов на основе опок при температуре обжига 900—1000оС достаточно высокое и составляет от 16 до 32%. При уменьшении зернового состава измельченного сырья от фракции 0—1,25 до фракции 0—0,16 мм водопоглощение уменьшается в 1,2—1,7 раза. Более интенсивное снижение водопогло-щения наблюдается после температуры обжига 1000оС. Однако водопоглощение, приемлемое для дорожного клинкерного кирпича, — 2,5% и ниже достигается только при температуре 1080—1090оС при степени измельчения до фракций 0—0,16 и 0—0,315 мм соответственно. При степени измельчения до фракции 0—0,63 водопоглощение 2,5% достигается только при температуре 1130оС. При измельчении до фракции 0—1,25 мм водопоглощение 2,5% и ниже достигается только при температуре 1160оС. Деформирования и вспучивания образцов не происходит при замедленном режиме обжига на конечном 50-градусном этапе обжига — 0,5— 1о/мин.
Учитывая полученные результаты, дальнейшие работы проводились на фракциях 0—0,16 и 0—0,315 мм, а для снижения температуры обжига и расширения интервала спекания решено было пойти по пути введения минерализаторов в состав сырьевой смеси, так как еще более тонкое измельчение достаточно энергозатратно и не гарантирует получения необходимых результатов при температуре обжига до 1100оС.
Минерализаторами называют сильные плавни, которые достаточно широко применяются в технологии технической и тонкой керамики, а также при производстве различных видов цемента [10]. Минерализаторы способны при вводе их в небольшом количестве существенно снизить температуру обжига и увеличить сте-
пень спекания изделий за счет стек-лофазы, образующейся при более низкой температуре обжига. Их количество при вводе в керамические массы составляет от долей процента до 2—3%. В основном это соединения фтора, бора, щелочных металлов, стронция, фосфора, бария, цинка и т. д. Авторами в результате поисковых работ с учетом технико-экономических и экологических факторов был подобран комплексный боро-щелочно-земельный минерализатор, практически не растворимый в воде, со стоимостью около 30 тыс. р. за тонну, которому условно был присвоен шифр ЛБК—1.
Результаты влияния данного минерализатора на свойства обожженных образцов при его вводе в количестве до 3% и измельчении опоки до фракции 0—0,315 мм представлены на рис. 2.
Подготовка образцов осуществлялась по комбинированной технологии — полусухое измельчение исходной породы, подготовка формовочной массы и пластическое формование образцов. При степени измельчения глинистых опок до фракции 0—0,315 мм они приобретают хорошую связность и необходимые формовочные свойства. Учитывая узкий интервал спекания опоковидных пород, обжиг образцов проводился в интервале температуры 960—1100оС с шагом 20оС. После обжига образцы подвергались всем необходимым испытаниям.
Как видно из полученных результатов, минерализатор ЛБК—1 оказывает существенное влияние свойства обожженных образцов. Уже при содержании минерализатора 1% водопоглощение 2,5% достигается при температуре обжига 1050оС, при содержании 2 и 3% — при температуре около 1030оС. При температуре обжига 1100оС водопоглощение, независимо от количества минерализатора, становится почти одинаковым — «0,2%. С технико-экономической точки зрения ввод минерализатора в количестве 1% вполне достаточен для получения необходимых результатов, а интервал обжига в 50о достаточен почти для всех типов печей.
Согласно ГОСТ 32311—2012 «Кирпич керамический клинкерный для мощения» к дорожному клинкерному кирпичу предъявляются требования только по пределу прочности при изгибе — более 7,5 МПа. Требования по пределу прочности при сжатии не предъявляются, хотя, по мнению авторов, это не совсем правильно. По требованиям европейского EN 771-1—2009 предел прочности при сжатии дорожного клинкерного кирпича должен быть 30—70 МПа. В реальности эти показатели существенно выше и достигают 200 МПа. Как видно из рис. 2, б, предел прочности при изгибе 7,5 МПа даже без минерализатора достигается уже при температуре обжига 960оС. При содержании минерализатора в количестве 1% и температуре обжига 1050оС предел прочности при изгибе равен 20 МПа, при 1100оС - 23 МПа. Высокий предел прочности при изгибе обожженных изделий на основе глинисто-карбонатных опок обусловлен формированием особой стеклокристаллической фазы, где сте-клофаза как бы пронизана игольчатыми и пластинчатыми кристаллитами волластонита и кристобалита [11, 12]. Предел прочности при сжатии при содержании минерализатора в количестве 1% и температуре обжига 1050—1100оС составляет 70-100 МПа, что вполне достаточно для данного вида изделий.
Также, согласно ГОСТ 32311—2012, дорожный клинкерный кирпич должен иметь плотность не менее
научно-технический и производственный журнал 74 апрель 2018 9
2100 кг/м3. Как видно из рис. 2, в, данные показатели достигаются при температуре обжига 1050оС и содержании минерализатора в количестве 1% и с повышением температуры обжига начинают только расти.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что на основе глинисто-карбонатных опок возможно получение дорожного клинкерного кирпича при температуре обжига 1050—1100оС с вводом эффективных минерализаторов в количестве до 1%. Образцы после обжига имеют приятный темно-желтый цвет, отличаются высокой морозостойкостью (^200), ударной прочностью и низкой истираемостью — менее 0,2-0,4 г/см2.
С технико-экономической точки зрения ввод минерализатора вполне оправдан. Для стандартного прямоугольного кирпича для мощения с размерами 200x100x62 мм стоимость ввода минерализатора в количестве 1% составит около 0,6 р. С учетом использования данного недорогого сырья и пониженных затрат на обжиг это позволит получать изделия с низкой себестоимостью. Расчетами доказана достаточно вы-
30
25
20
15
10
0 960
30
5 960
980 1000 1020 1040 1060
Температура обжига, оС
1080
1100
980 1000 1020 1040 1060
Температура обжига, оС
1080
1100
а
5
б
в
960
980
1000
недорогого сырья и пониженных затрат на обжиг это позволит получать изделия с низкой себестоимостью. Расчетами доказана достаточно высокая эффективность инвестиций в этом направлении. Учитывая свойства глинисто-карбонатных опок, формовка изделий может осуществляться как экструзионным способом, так и компрессионным. С экономической точки зрения более привлекательным является последний. Строительство современного завода мощностью 30 млн шт. кирпича в год составит около 1200 млн р. Рассчитанная средняя себестоимость одного изделия составит 6-8 р. за штуку. При доста-
г ог\п/ поглощение; о - предел прочности при I точно высокой н°рме прибыли 80% - область клинкеРного кирпИча
рентабельность капитальных вложений составит 14,1%, срок окупаемости вложений — 5,3 г., уровень безубыточности — 40%, чистая прибыль — 169 млн р. со второго года операционной деятельности. При этом стоимость реализации изделий будет сопоставима с обычной бе-
1020 1040 Температура обжига, оС
1060
1080
2400
Л 2100
1800
1500
1200 960
980
1000
1020 1040 Температура обжига, оС
1060
1080
1100
1100
Рис. 2. Влияние минерализатора и температуры обжига на свойства образцов: а - водо-
тонной тротуарной плиткой. При реконструкции существующих заводов капитальные затраты будут существенно меньше, что может повысить инвестиционную привлекательность.
Список литературы
1. Котляр В.Д. Стеновая керамика на основе кремнистых опал-кристобалитовых пород — опок. Ростов н/Д.: РГСУ, 2011. 277 с.
2. Бондарюк А.Г., Котляр В.Д. Стеновая керамика на основе опоковидных кремнисто-карбонатных пород и искусственных кремнисто-карбонатных композиций // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2010. № 7. С. 18—24.
3. Талпа Б.В., Котляр В.Д., Терехина Ю.В. Оценка кремнистых опоковидных пород для производства керамического кирпича // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 20—22.
4. Котляр В.Д. Кремнистые опоковидные породы Краснодарского края — перспективное сырье для стеновой керамики // Строительные материалы. 2010. № 4. С. 34—36.
References
1. Kotlyar V.D. Stenovaya keramika na osnove kremnistykh opal-kristobalitovykh porod — opok [Wall ceramics on the basis of siliceous opal-kristobalit of rocks — a opoks]. Rostov-on-Don: Rostov state University of civil engineering. 2011. 277 p.
2. Bondariyk A.G., Kotlyar V.D. Wall ceramics on a basis the opoks of siliceous-carbonate rocks and artificial siliceous and carbonate compositions. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitel'stvo. 2010. No. 7, pp. 18— 24. (In Russian).
3. Talpa B.V., Kotlyar V.D., Terekhina U.V. Assessment siliceous the opoks of rocks for production of a ceramic brick. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 12, pp. 20-22. (In Russian).
4. Kotlyar V.D. Siliceous opoka-like rocks of the Krasnodar Krai is a perspective raw material for wall ceramic.
lj научно-технический и производственный журнал
Ы- ® апрель 2018 15
5. Котляр В.Д. Классификация кремнистых опоковид-ных пород как сырья для производства стеновой керамики // Строительные материалы. 2009. № 3. С. 36-39.
6. Лапунова К.А., Котляр В.Д. Технология и дизайн лицевых изделий стеновой керамики на основе кремнистых опоковидных пород. Ростов н/Д.: РГСУ, 2014. 193 с.
7. Котляр В.Д., Братский Д.И. Вещественный состав и дообжиговые керамические свойства глинистых опок // Инженерный вестник Дона. 2010. Т. 14. № 4. С. 47-59.
8. Котляр В.Д., Лапунова К.А. Технологические особенности опок как сырья для стеновой керамики // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2009. № 11-12. С. 25-31.
9. Котляр В.Д., Талпа Б.В., Козлов Г.А., Белодедов А.А. Кремнистые породы Нижнего Дона и перспективные пути их использования в производстве строительных материалов // Научная мысль Кавказа. 2004. № 6. С. 97-104.
10. Горшков В.С., Савельев В.Г., Федоров Н.Ф. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. М.: Высшая школа, 1988. 400 с.
11. Бондарюк А.Г., Котляр В.Д. Фазовые преобразования при обжиге опок с карбонатными добавками при производстве стеновой керамики // Строительные материалы. 2009. № 12. С. 24-27.
12. Котляр В.Д., Лапунова К.А. Особенности физико-химических преобразований при обжиге опоковид-ного сырья // Строительные материалы. 2016. № 5. С. 40-42.
Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 4, pp. 34-36. (In Russian).
5. Kotlyar V.D. Classification siliceous the opoks of rocks as raw materials for production of wall ceramics. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 3, pp. 36-39. (In Russian).
6. Lapunova K.A., Kotlyar V.D. Tehnologija i dizajn licev-yh izdelij stenovoj keramiki na osnove kremnistyh opo-kovidnyh porod. [Technology and design of front products of wall ceramics on the basis of siliceous the opoks of rocks]. Rostov-on-Don: Rostov state University of civil engineering. 2014. 193 p.
7. Kotlyar V.D., Bratskii D.I. Material structure and ceramic properties of a clay opoks. Inzhenernyj vestnik Dona. 2014. Vol. 14. No. 4, pp. 47-59. (In Russian).
8. Kotlyar V.D., Lapunova K.A. Technological features of a opoks as raw materials for wall ceramics. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. 2011. No. 11-12, pp. 25-31. (In Russian).
9. Kotlyar V.D., Talpa B.V., Kozlov G.A., Belodedov A.A. Siliceous rocks of the lower Don and perspective ways of their use in production of construction materials. Nauchnaja mysl'Kavkaza. 2004. No. 6, pp. 97-104. (In Russian).
10. Gorshkov V.S., Savel'ev V.G. Fizicheskaja himija silika-tov i drugih tugoplavkih soedinenij [Physical chemistry of silicates and other refractory connections]. Moscow: Vysshaya shkola. 1988. 400 p.
11. Bondariyk A.G., Kotlyar V.D. Phase transformations when roasting a opoks with carbonate additives by production of wall ceramics. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 12, pp. 24-27. (In Russian).
12. Kotlyar V.D., Lapunova K.A. Features of physical and chemical transformations when roasting opoks raw materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 5, pp. 40-42. (In Russian).
Аккредитованный испытательный центр ООО «Акцепт» предоставляет комплексные услуги по исследованию сырья и внедрению выбранных рецептов в производство керамической продукции
Испытательный центр ООО «Акцепт» создан на базе заводской лаборатории Ленинградского завода керамических изделий более 20 лет назад и все это время эффективно обслуживал предприятия керамической отрасли Северо-Запада России.
Сегодня это современная лаборатория, оснащенная новым оборудованием, на котором работают квалифицированные специалисты, не один год отдавшие вопросу изучения качественных характеристик строительных материалов и сырья. Одной из главных специализаций центра является работа с керамическими изделиями и глинами.
Сотрудники ИЦ ООО «Акцепт» имеют большой опыт производства строительных материалов, контроля их качества и эксплуатации технологического оборудования. Испытательный центр также готов предложить технологические и управленческие решения по организации вывода проекта на контрактные мощности.
20 лет успешной работы на кирпичных заводах России и признание российскими и европейскими партнерами высокой компетенции сотрудников Центра в наладке режимов работы оборудования по подготовке сырья, его формовки, сушки и обжигу, а также услуги по реализации готовой продукции дают право ИЦ ООО «Акцепт» браться за задачи любой сложности.
Приглашаем кирпичные заводы России и СНГ к сотрудничеству!
Ленинградская обл., Кировский р-н, г. Отрадное, Никольское шоссе, д. 2, корп. 3, пом. 11-Н +7 (921) 740-85-84 +7 (921) 921-92-29 www.accept-lab.ru
научно-технический и производственный журнал lÖTrJCJ>J'j'iJlb}lijJi 7б апрель 2018 *
