ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕКОНДИЦИОННОГО СЫРЬЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Столбоушкин Андрей Юрьевич; Фомина Оксана Андреевна; Дашжамц Далайн

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

Научная статья УДК 691

ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия БОТ 10.51608/26867818 2023 4 115

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕКОНДИЦИОННОГО СЫРЬЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ1

СТОЛБОУШКИН Андрей Юрьевич

доктор технических наук, профессор кафедры инженерных конструкций, строительных технологий и материалов

Сибирский государственный индустриальный университет (Россия, Новокузнецк)

SPIN: 1395-0096 ФОМИНА Оксана Андреевна

кандидат технических наук, доцент кафедры Строительных материалов и производства работ

Сибирский государственный индустриальный университет; Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН (Россия, Новокузнецк)

ДАШЖАМЦ Далайн

академик Монгольской академии наук, д.т.н., профессор

Монгольский государственный университет науки и технологий (Монголия, Улан-Батор, e-mail: ddashjamts@must.edu.mn)

Аннотация. Приведены перспективы получения керамических изделий на основе промышленных отходов при использовании новых рациональных способов массоподготовки некондиционного сырья, обеспечивающих формирование матричной структуры.

Ключевые слова: промышленные отходы; матричная структура; дисперсионная среда; агрегированная дисперсная фаза; керамические стеновые материалы

Для цитирования: Перспективы использования некондиционного сырья в производстве керамических изделий / А.Ю. Столбоушкин, О. А. Фомина, Д. Дашжамц // Эксперт: теория и практика. 2023. № 4 (23). С. 115-119. doi 10.51608/26867818 2023 4 115

1 Работа представлялась в виде устного доклада на Международной научно-практической конференции «Новые прогрессивные рецептурно-технологические решения в строительном материаловедении» (18-21 июля 2023 г., Новосибирск).

fi

PROSPECTS OF USING NON-CONFORMING RAW MATERIALS IN CERAMIC MANUFACTURING

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department

Siberian State Industrial University (Russia, Novokuznetsk, e-mail: stanyr@list.ru)

Технические науки. Строительство и архитектура

Original article

FOMINA Oksana Andreevna

Candidate of Technical Sciences

Siberian State Industrial University;

Institute of Machines Sciense named after A.A. Blagonravov of the Russian Academy of Sciences (Russia, Novokuznetsk)

DASHZHAMTS Dalain

Academician of the Mongolian Academy of Sciences, Doctor of Technical Sciences, Professor

Mongolian University of Science and Technology (Mongolia, Ulaanbaatar, e-mail: ddashjamts@must.edu.mn)

Abstract. The prospects for the production of ceramic products utilizing industrial waste and novel rational methods of mass preparation of substandard raw materials, resulting in the formation of a matrix structure, have been presented. Keywords: industrial waste; matrix structure; dispersion medium; aggregate dispersed phase; ceramic wall materials

For citation: Prospects of using non-conforming raw materials in ceramic manufacturing / A.Y. Stolboushkin, O.A. Fomina, D. Dashzhamts // Expert: Theory and Practice. 2023. No. 4 (23). Pp. 115-119. doi 10.51608/26867818 2023 4 115

Для большинства районов Западной Сибири и Дальнего Востока характерно отсутствие промышленных запасов высококачественных глин, которые можно использовать в качестве сырьевой базы современных кирпичных заводов. В тоже время, в промышленных регионах Сибири находится огромное количество так называемых техногенных месторождений, к примеру, в Кемеровской области сосредоточено больше половины твердых минеральных отходов Российской Федерации [1], и их дальнейшее интенсивное накопление без эффективной переработки и утилизации представляет серьезную экологическую опасность.

Причинами медленного освоения техногенного сырья в производстве стеновой керамики являются нестабильность его состава и свойств, несоответствие требованиям ГОСТ 9169-75 «Сырье глинистое для керамической промышленности», а также недостаточная изученность физико-химических процессов, протекающих при обжиге такого сырья. Очевидно, что при использовании промышленных отходов для производства качественного кирпича применение классических подходов к массоподготовке, формированию структуры сырца, организации тепломассообменных процессов при сушке и обжиге, не обеспечивает требуемых эксплуатационных характеристик изделий. Как бы ни были близки по свойствам к глинистому сырью отходы, например, угледобычи и

углеобогащения, производство на их основе керамического кирпича сопряжено с необходимостью решения многих технологических проблем, и его качество не может сравниться с продукцией кирпичных заводов, работающих на природном сырье.

В керамике одним из таких подходов является разработка керамических композиционных материалов (ККМ) [2]. Благодаря синергизму за счет комбинации керамической основы с арматурой эти материалы обладают высокими эксплуатационными характеристиками. Во многом эти и другие замечательные свойства композиционных материалов определяются межфазным

взаимодействием компонентов, которое зависит от их термодинамической, кинетической и механической совместимости [3].

Обычно совместимость матрицы и заполнителя, составляющих композиционный материал, в части химической кинетики и термодинамического равновесия фаз достигается далеко не всегда. В тоже время их «механическое взаимодействие» обеспечивает после обжига целостную (монолитную) структуру композита и стабильность его свойств. Механическая совместимость определяется, прежде всего, соотношением деформационных показателей и коэффициентов термического расширения дисперсионной среды и дисперсной фазы матричного композита.

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

В архитектурно-строительном институте СибГИУ под руководством проф. Столбоушкина А.Ю. сформировано научное направление: «Строительные керамические материалы матричной структуры на основе техногенного и природного сырья» [4]. Практическая реализация инновационной идеи направлена на формирование рациональной структуры керамики посредством организации упорядоченного ячеисто-заполненного каркаса на стадии приготовления шихты. В результате анализа многочисленных моделей структур композиционных материалов было найдено технологическое решение эффективного использования некондиционного сырья для получения высококачественной керамики. При этом, матричная структура керамического черепка представлена двумя составными частями: матрицей, которая является продуктом высокотемпературных превращений глинистых минералов, и макрозаполнителем, в виде минеральных зерен, заключенных в ней.

Керамические матричные композиты были получены путем объединения тонкодисперсных частиц малопластичного неспекающегося сырья в гранулы, покрытием поверхности гранул глинистым веществом, прошедшим механоактивацию, с последующим компрессионным формованием изделий, их сушкой и обжигом (Патент РФ № 2005702 [5]). При обжиге происходит трансформация матричной структуры сырца в керамический матричный композит. На границе контакта гранул активированная глинистая составляющая шихты продуцирует расплав, который внедряется в периферийную зону ядра и после кристаллизации образует матричную структуру, состоящую из ядер, покрытых оболочкой из продуктов спекания глины. В свою очередь, оболочка имеет свое внутреннее «армирование», повышающее прочностные характеристики матрицы. Условно ее формирование под влиянием внешних воздействий можно рассматривать как последовательный процесс образования стеклокристаллической микроструктуры.

В институте разработаны рациональные способы массоподготовки сырья в технологии стеновой керамики компрессионного формования при использовании малокондиционного глинистого и других видов природного алюмосиликатного сырья (трепелы, опоки и др.). Избежать дефектов структуры керамических изделий полусухого прессования [6] позволяет разработанный способ формирования оптимальных структур керамического кирпича за счет тонкого сухого помола, грануляции, компрессионного формования, сушки и обжига изделий (Патент РФ № 2500647 [7]). Многочисленные лабораторные исследования показали, что необходимое количество воды для грануляции порошков составляет 10-17 мас. %. Экспериментальные данные по влажности сопоставимы с экструзионной технологией жесткого формования, поэтому при характеристике способа был использован термин «компрессионное формование».

Актуальны проводимые в институте

исследования по созданию ячеистой керамики с матричной структурой. При этом формируется эффективная структура керамики с упорядоченным каркасом из макропор, имеющих

стеклокристаллическую оболочку. Для решения этой задачи разработан и запатентован новый способ изготовления условно-эффективных и эффективных стеновых керамических изделий на основе низкокачественного природного сырья с пространственно-организованной ячеистой

структурой (Патент РФ № 2593832 [8]). В основу способа заложены вышеназванные технологические принципы формирования керамических матричных композитов. Грануляция увлажненных гранул пеностекла с высушенным и измельченным глинистым или кремнистым сырьем, последующее прессование, сушка и обжиг изделий обеспечивают формирование ячеистой структуры керамического черепка с высоким коэффициентом конструктивного качества и пониженной средней плотностью.

Еще одним перспективным направлением развития технологии керамических стеновых материалов из некондиционного сырья является объемное окрашивание керамических изделий на основе техногенного и природного глинистого сырья минеральными пигментами, полученными из промышленных отходов (Патент РФ № 2641533 [9], Патент РФ № 2701657 [10]).

Как показали исследования, применение часто используемых для обычных кирпичных глин «щелочноземельных осветлителей» неприемлемо в случае использования техногенного сырья, содержащего, как правило, большое количество карбонатных примесей. Использование импортных красящих пигментов дорого и в условиях текущего курса рубля значительно утяжеляет себестоимость продукции. Поэтому, молодыми учеными кафедры под руководством автора разрабатываются принципы структурного окрашивания керамических матричных композитов на основе техногенного и природного сырья. Интенсивное окрашивание керамики при минимальном количестве добавок достигается за счет концентрации их в тонком слое на поверхности гранул при опудривании.

Наиболее приемлемым является использование различных минеральных добавок и отходов, содержащих соли и оксиды металлов, таких как Ре2Оэ, МпО2, ТЮ2, У2О5 и др.. Было установлено, что минеральные добавки с высоким содержанием указанных металлов, в частности отходов, содержащих У2О5 в количестве 3-5 мас.%, обеспечивают интенсивное окрашивание образцов за счет концентрации на поверхности гранул и получение керамического черепка с водопоглощением 7-10 % и прочностью при сжатии более 65 МПа при использовании ванадиевого шлака (Патент РФ № 2487844 [11]).

Технические науки. Строительство и архитектура

В результате разработанных научных основ и технологических принципов, изложенных выше, получена серия керамических матричных композитов на основе некондиционного сырья, представленная на рисунке.

Рисунок - Матричная структура стеновых

m 6 мм п - m «L B/M £ : V èЛ'ФТщв ж

1-1 -J

в s 6 MM

ШШИШшшя

керамических изделии на основе: железорудных отходов (а, б); отходов углеобогащения (е);

гранулированного пеностекла из кремнистых пород (г); суглинка с добавкой отходов обогащения марганцевых руд (д); железорудных отходов с добавкой ванадиевого шлака (е)

Библиографический список

1. Прошунин, Ю. Е. Концепция технопарка о развитии отрасли управления отходами в Кузбассе / Ю. Е. Прошунин, Е. П. Волынкина // Управление отходами - основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе : Сборник докладов Второй международной научно-практической конференции, Новокузнецк, 08-10 октября 2008 года / Редакционная коллегия: Протопопов Е. В., Волынкина Е. П. (главный редактор), Галанина Т.В., Коротков С.Г., Нохрина О.И., Никитенко С.М., Харлашин П.С..

- Новокузнецк: Сибирский государственный индустриальный университет, 2008. - С. 15-20. -ЕБМ 8ББЕЕР.

2. Пивинский, Ю. Е. Кварцевая керамика, искусственные керамические вяжущие (ВКВС) и керамобетоны - история и перспективы развития технологий / Ю. Е. Пивинский // Огнеупоры и техническая керамика. - 2009. - № 3. - С. 8-17. -ЕБМ ШЮРЬ.

3. Столбоушкин, А. Ю. Метод комплексного исследования переходного слоя ядро - оболочка в керамических матричных композитах полусухого прессования / А. Ю. Столбоушкин // Строительные материалы. - 2019. - № 9. - С. 2835. - Б01 10.31659/0585-430Х-2019-774-9-28-35.

- ЕБМ РСАБШ.

4. Керамические стеновые материалы матричной структуры на основе неспекающегося малопластичного техногенного и природного

сырья / А. Ю. Столбоушкин, Г. И. Бердов, В. И. Верещагин, О. А. Фомина // Строительные материалы. - 2016. - № 8. - С. 19-24. - ЕБМ WMSB0R.

5. Патент № 2005702 С1 Российская Федерация, МПК С04Б 33/02, С04Б 33/00, С04Б 33/132. Способ изготовления керамических изделий : № 4948690/33 : заявл. 25.06.1991 : опубл. 15.01.1994 / Г. И. Стороженко, А. Ю. Столбоушкин, Г. В. Болдырев [и др.] ; заявитель Сибирский металлургический институт им. Серго Орджоникидзе. - ЕБМ RARXWJ.

6. Шлегель, И. Ф. Проблемы полусухого прессования кирпича / И. Ф. Шлегель // Строительные материалы. - 2005. - № 2. - С. 1819. - ЕБМ JV0GTF.

7. Патент № 2500647 С1 Российская Федерация, МПК С04Б 33/132. Сырьевая смесь для изготовления стеновой керамики и способ ее получения : № 2012116133/03 : заявл. 20.04.2012 : опубл. 10.12.2013 / А. Ю. Столбоушкин, Г. И. Стороженко, А. И. Иванов [и др.] ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет".

- ЕБМ ЕАУШУ.

8. Патент № 2593832 С1 Российская Федерация, МПК С04Б 33/13. Способ изготовления стеновых керамических изделий : № 2015121962/03 : заявл. 08.06.2015 : опубл. 10.08.2016 / А. И. Иванов, А. Ю. Столбоушкин, Г. И. Стороженко ; заявитель общество с ограниченной ответственностью "Баскей керамик". - ЕБМ КТОЕШ..

9. Патент № 2641533 С1 Российская Федерация, МПК С04Б 33/132, Б09Б 3/00. Способ получений сырьевой смеси для декоративной стеновой керамики : № 2016147274 : заявл. 01.12.2016 : опубл. 18.01.2018 / А. Ю. Столбоушкин, Д. В. Акст, А. И. Иванов [и др.] ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет".

- ЕБМ KQRWY0.

10. Патент № 2701657 С1 Российская Федерация, МПК С04Б 33/132. Способ получения сырьевой смеси для декоративной строительной керамики : № 2018145385 : заявл. 19.12.2018 : опубл. 30.09.2019 / Д. В. Акст, А. Ю. Столбоушкин, О. А. Фомина ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2023. № 4 (23)

ФГБОУ ВО "СибГИУ". - ББМ 1Т08КУ. 11. Патент № 2487844 С1 Российская Федерация, МПК С04В 33/132. сырьевая смесь для изготовления стеновых керамических изделий : № 2012104942/03 : заявл. 13.02.2012 : опубл. 20.07.2013 / А. Ю. Столбоушкин, Г. И. Стороженко, Г. И. Бердов [и др.] ; заявитель

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет". - ББМ БББУХУ.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.

Статья поступила в редакцию 23.08.2023; одобрена после рецензирования 27.10.2023; принята к публикации 27.10.2023.

The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication.

The article was submitted 23.08.2023; approved after reviewing 27.10.2023; accepted for publication 27.10.2023.

PROSPECTS OF USING NON-CONFORMING RAW MATERIALS IN CERAMIC MANUFACTURING

Текст научной работы на тему «ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕКОНДИЦИОННОГО СЫРЬЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ»