CC BY
37
УДК 691-4
ПОВЫШЕНИЕ ПОРИСТОСТИ ЗОЛОСОДЕРЖАЩИХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАСС
Седен Б.Р.
Тувинский государственный университет, Кызыл
THE POROSITY INCREASE SOLASTALGIA CERAMIC MASSES
Seden B.R. Tuvan State University, Kyzyl
В данной работе проводится исследование золы-унос Кызылской ТЭЦ при использовании в качестве выгорающей добавки для керамической массы на основе сукпакской глины.
Ключевые слова: пористость, выгорающие добавки, обожженные изделия.
In this parer, a study is carried out of ash-depletion of the Kyzyl CHP plant when used as a burning additive for ceramic mass on the basis of Sukpak clay.
Keywords: porosity, burnable supplements, baked goods.
К стеновым изделиям предъявляют высокую прочность и низкую теплопроводность. С точки зрения строительной физики, это взаимоисключающие требования. Высокопрочный обожженный материал имеет высокую плотность и теплопроводность. А высокопористый керамический материал отличается низкой прочностью. Тем не менее, несмотря на существование такой зависимости, продолжается производство керамических стеновых материалов, удовлетворяющие потребности заказчиков.
По ГОСТ-у минимальная прочность кирпича при сжатии - 10 МПа, что соответствует пористости черепка 20-30% и теплопроводности 0,40-0,55 Вт/м °С в зависимости от способа производства и пустотности кирпича.
Повышение пористости керамических стеновых материалов является актуальной проблемой, решение которой требует поиска и исследования новых сырьевых материалов и разработки специальных технологических способов для повышения пористости и прочности материала.
Традиционно, для повышения пористости керамических изделий в состав шихты вводят выгорающие добавки, как опилка, уголь и органические отходы производства [1].
Отходы древесины в силу ограниченности и существенного влияния на формуемость керамической массы, не нашли широкого применения.
Повышенная стоимость угля и его последующее измельчение сдерживает применение данного вида сырья.
В то же время, существуют отходы промышлености, которые могут быть применены в качестве выгорающих добавок. К ним относятся отходы сжигания каменного угля-золя, отвалы, которые имеются в каждом регионе вблизи тепловых электростанций, работающих на твердом топливе.
Известно, что при использовании золы-унос в составе шихты снижается формуемость массы, поэтому данную добавку необходимо ввести в состав масс на основе высоко пластичных глин.
Применение золы-унос в качестве породообразующей добавки связано с выгоранием остатков углеродистых веществ, содержание которых достигает до 20%. Кроме того, зола-унос каждой ТЭЦ отличается своим химико-минералогическим составом и гранулометрическим составом.
Целью данной работы является исследование золы-унос Кызылской ТЭЦ при использовании в качестве выгорающей добавки для керамической массы на основе сукпакской глины.
Зола-унос Кызылской ТЭЦ имеет близкий химико-минералогический состав с природной сукпакской глиной (таблица 1), что позволяет ее расценивать как сырье для производства керамического кирпича.
Таблица 1
Химический состав сырьевых материалов_
Наименование Массовое содержание оксидов, %
SiO2 АШ ТО2 Fe2Oз CaO MgO Na?O п.п.п.
Сукпакская глина 54,56 13,64 0,81 6,22 5,09 2,42 1,81 1,61 9,18
Зола-унос 42,21 18,07 0,51 7,50 5,96 2,12 1,13 0,84 17,25
Зола-унос характеризуется достаточно стабильным химическим составом, что дает возможность прогнозировать качество керамического материала на основе золы.
В результате сгорания угля образуется порошкообразный материал серого цвета с объемной массой 560-580 кг/м в сухом состоянии. Пылевидная фракция золы отличается удельной поверхностью 2600-3000 смг/г. Содержание органических веществ (несгоревшее топливо, сажа) в золе в пределах 6-10 %. При этом углистые частицы заполняют поры стеклофазы.
Минеральная часть золы представлена кварцем, ортоклазом, гематитом, магнетитом и кристобалитом. В стекловидных частицах встречаются единичные игольчатые кристаллы муллитоподобной фазы. В стеклофазе еще присутствуют аморфизованные глинистые остатки, что установлено электронной микроскопией.
Местная сукпакская глина имеет монтмориллонитовую основу. Содержание глинистых частиц в пределах 26-34 %, что придает увлажненной массе высокую пластичность [2]. Недостатком фазового состава глины является наличие мелких и крупных включений карбонатов, что требует тонкого измельчения сырья для получения качественного кирпича.
Особенностью золы-унос, как сырья для строительной керамики является то, что за счет остаточного топлива и углерода, она отличается большим запасом внутренней энергии. Преимущество углеродсодержащего сырья в производстве керамических изделий заключается в интенсификации реакции углерода из органической части шихты с компонентами минеральной части глины в процессе дегидратации и спекания массы.
Введение в состав шихты на основе высокопластичной сукпакской глины 1040 % золы-унос, уменьшает пластичность массы с 17 до 8, и формовочная влажность уменьшается с 21 до 14 %, что улучшает формование изделий с уменьшением воздушной усадки (с 7,2 % до 1,9 %).
Добавление ранее термообработанного топливосодержащего компонента в шихту улучшает условия сушки сырца, так как равномерно распределенные дегидратированные частицы золы поглощают влагу, и обеспечивает быстрое обезвоживание монтмориллонитовых частиц.
В таблице 2 приведены технологические свойства шихты с различным содержанием золы, что свидетельствует об особенностях взаимодействия зольных частиц с компонентами глины.
Выявлено, что при введении до 40 % золы-унос в состав шихты, связность массы уменьшается, о чем свидетельствует предел прочности при сжатии высушенных изделий. Опытные образцы-цилиндрики диаметром и высотой 50 мм, отформованные пластическим способом, при добавке 40 % золы имеют прочность при сжатии 2,5 МПа, что вполне достаточно для кирпича-сырца.
Таблица 2
Технологические свойства
Содержание золы, % Формовочная влажность, % Число пластичности Воздушная усадка, % Предел прочности при сжатии, МПа
0 21 17 7,2 4,7
10 20 15 6,4 4,2
20 18 12 4,2 3,4
30 16 10 2,1 2,8
40 14 8 1,9 2,5
При обжиге керамических стеновых материалов, зола претерпевает те же физико-химические процессы и модификационные превращения, что и глинистые минералы - выгорание органических составляющих, дегидратация компонентов, разложение карбонатов, переход кварца из 3 в а формы и образование новых алюмосиликатных соединений.
Введение в состав шихты золы способствует снижению усадки обожженных изделий, что имеет важное значение.
Анализ физико-механических характеристик изделий, после обжига в интервале 900-1100°С показывает (таблица 3), что наряду с уменьшением огневой усадки, наблюдается уменьшение объемной массы образцов, что свидетельствует о повышении пористости черепка [3].
Таблица 3
Физико-механические свойства обожженных изделий_
Содержание золы, % Температура обжига, °С Объемная масса, г/см? Огневая усадка, % Водопоглощение, % Предел прочности при сжатии, МПа
900 1,83 2,7 16,2 29,6
0 чистая глина 1000 1050 1,89 1,93 4,8 8,6 13,0 10,4 36,9 43,2
1100 1,96 12,3 7,6 51,4
900 1,59 1,2 23,1 11,9
20 1000 1,61 2,5 21,5 20,0
1050 1,66 3,7 18,1 26,3
1100 1,98 4,1 14,9 28,5
900 1,52 0,8 27,3 10,5
30 1000 1,56 1,5 24,2 17,1
1050 1,61 2,1 21,8 21,1
1100 1,67 2,9 15,9 29,6
900 1,37 0,6 28,4 7,3
40 1000 1,39 1,2 25,1 8,9
1050 1,52 1,9 22,7 18,2
1100 1,64 2,3 17,2 23,4
При выгорании органической части (сажи) золы на ее месте возникают поры и повышается внутренний объем пор, изделие приобретает тонкопоровую структуру.
Однако, с увеличением доли золы в составе шихты, увеличивается водопоглощение изделий, что является следствием повышения пористости черепка.
Кроме того, с повышением содержания золы в массе наблюдается плавное снижение прочности образцов с уменьшением объемной массы изделий. Несмотря на это, прочность при сжатии образцов с содержанием золы до 40 % остается достаточно высокой (18-23 МПа при 1050 и 1100 °С), что позволяет получить кирпич марки М150-М200.
Результаты специального исследования (оптическая и электронная микроскопия) фазового состава обожженных золосодержащих изделий показали, что при спекании массы в области высоких температур (1000-1100 °С) активную роль играет стеклофаза, содержание которой с повышением температуры значительно увеличивается, заполняя межзерновые пустоты, склеивает твердые огнеупорные компоненты черепка. При этом в образовании стеклофазы способствует восстановительный характер внутренней газовой среды, созданный в результате выгорания органической части золы. Из-за восстановительного характера газовой среды происходит переход Fe3+ в Fe2+, последние растворяются в расплаве и входят в структуру стеклофазы.
Таким образом, применение золы с остаточным содержанием топлива (более 10 %) позволяет создать восстановительную газовую среду внутри черепка (о чем
свидетельствует черная сердцевина изделий), и интенсифицирует спекание массы с формированием прочной структуры золокерамических стеновых материалов. Cущность спекания золосодержащих масс характеризуется более сложной совокупностью физико-химических процессов, предопределяющих образование структуры керамического камня и его свойств. Поэтому установление физико-химической сущности процессов, протекающих при спекании масс на основе попутных продуктов промышленности для направленного регулирования формирования структуры материалов, является важной проблемой в производстве керамических стеновых материалов.
Библиографический список
1. Августиник А.И. Керамика. Л.: Cтройиздат, 1975. 592с.
2. Каракал Б.К. Минеральное сырье Тувы для производства строительных материалов: монография. Кызыл: РИО ТувГУ, 2009. 169 c.
3. Каракал Б.К., Монгуш Д^., Cеден Б.Р. Регулирование пористости керамических стеновых материалов //Аспирант и соискатель. 2014. №5. C 82-85.
Bibliograficheskiy spisok
1. Avgustinik A. I. Ceramica. L.: Stroyizdat, 1975. 592 s.
2. Kara-Sal B. K. Mineralnoe suryo Tuvy dlya proizvodstva stroitelnuh materialov: monografia. Kyzyl: RIO TuvGU, 2009. 169 s.
3. Kara-Sal B. K., Monguch D.S., Seden B.R. Regulirovanie poristosti ceramisheskih stenovyh materialov //Aspirant i soiskatel. 2014. №5. S 82-85.
Седен Билзекмаа Романовна - преподаватель Тувинского государственного университета, г. Кызыл, E-mail:[email protected]
Seden Bilzekmaa Romanovna - teacher of the Tuvan State University, Kyzyl, E-mail:[email protected]
