СИЛИКАТНЫЙ КИРПИЧ НА ОСНОВЕ ЗОЛЬНЫХ МИКРОСФЕР И ИЗВЕСТИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.316

DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-763-9-17-21

В.Д. КОТЛЯР, д-р техн. наук (diatomit_kvd@mail.ru), А.В.КОЗЛОВ, канд. техн. наук (kozlov_rgsu@mail.ru), О.И. ЖИВОТКОВ, инженер (zvoleg@list.ru), Г.А. КОЗЛОВ, канд. техн. наук (skrudge_k@mail.ru)

Донской государственный технический университет (344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1)

Силикатный кирпич на основе зольных микросфер и извести

Представлены основные тенденции производства и применения силикатного кирпича в современном строительстве. Показаны его положительные и отрицательные свойства, главными из которых являются высокая средняя плотность и большая теплопроводность, что сопровождается потерями тепла через ограждающие стены зданий и сооружений. Рассматривается возможность улучшения теплотехнических показателей и снижения плотности данного вида стеновых изделий за счет использования зольных микросфер. Дается характеристика зольных микросфер, которые являются компонентом золошлаковых отходов тепловых электростанций. Они обладают рядом ценных свойств: низкой плотностью, замкнутой микропористостью, благоприятным химико-минералогическим составом, наличием аморфной силикатной стекловатой фазы, что обусловливает активное взаимодействие с известью в условиях повышенных температуры и давлении. Приведены данные о влиянии содержания известкового компонента и удельного давления прессования на свойства получаемых изделий и особенности их микроструктуры. Представлены результаты полупромышленных испытаний.

Ключевые слова: силикатные изделия, теплопроводность, плотность, прочность, зольные микросферы, известь.

Для цитирования: Котляр В.Д., Козлов А.В., Животков О.И., Козлов Г.А. Силикатный кирпич на основе зольных микросфер и извести // Строительные материалы. 2018. № 9. С. 17-21. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-763-9-17-21

V.D. KOTLYAR, Doctor of Sciences (Engineering) (diatomit_kvd@mail.ru), A.V. KOZLOV, Candidate of Sciences (Engineering) (kozlov_rgsu@mail.ru), O.I. ZHIVOTKOV, Engineer (zvoleg@list.ru), G.A. KOZLOV, Candidate of Sciences (Engineering) (skrudge_k@mail.ru) Don State Technical University (1, Gagarin Square, Rostov-on-Don, 344000, Russian Federation)

Calcium-Silicate Brick On The Basis Of Microspheres And Lime

The article deals with the main trends in the production and application of silicate bricks in modern construction. It describes its positive and negative properties, the main of which are its high average density and high thermal conductivity, which is accompanied by losses of heat through the enclosing walls of buildings and structures. The possibility of improving the thermal-technical characteristics and reducing the density of this type of walled products by using ash microspheres is considered. Characterization of ash microspheres, which are a component of ash and slag wastes of thermal power plants is given. They have a number of valuable properties: low density, closed microporosity, favorable chemical-mineralogical composition, presence of amorphous silicate glass wool phase, which causes active interaction with lime under conditions of elevated temperatures and pressure. The article gives the data on the influence of the content of the calcareous component and the specific pressing pressure on the properties of the products obtained and the features of their microstructure. The results of semi-industrial tests are presented.

Keywords: silicate products, thermal conductivity, density, strength, ash microspheres, lime.

For citation: Kotlyar V.D., Kozlov A.V., Zhivotkov O.I., Kozlov G.A. Calcium-silicate brick on the basis of microspheres and lime. Stroite'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 9, pp. 17-21. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2018-763-9-17-21 (In Russian).

Силикатный кирпич находит свое применение практически там же, где и другие мелкоштучные стеновые материалы. Однако его использование часто ограничивается в связи с более высокой плотностью и теплопроводностью [1, 2].

Согласно ГОСТ 379—2015 «Кирпич, камни, блоки и плиты перегородочные силикатные. Общие технические условия» силикатный кирпич изготавливают способом прессования увлажненной смеси из кремнеземистых материалов и извести или других известьсодержащих компонентов с применением пигментов, легких заполнителей и без них и последующим твердением в условиях гидротермальной обработки в автоклаве. Они могут быть рядовыми и лицевыми, прочностью, соответствующей маркам от М100 до М300, морозостойкостью, соответствующей маркам от F25 до F100, водопоглощением не менее 6%, средней плотностью 900—2200 кг/м3 и не-нормируемым значением коэффициента теплопроводности, что достаточно важно для ограждающих стеновых конструкций.

С увеличивающимися темпами жилищного строительства в нашей стране становится все более актуальным вопрос производства эффективных строительных материалов, в том числе и силикатных. В связи с этим производство силикатного кирпича со средней плотностью менее 1000 кг/м3 является актуальной задачей строительного материаловедения [3—5].

Введенный в действие ГОСТ 379—2015 предусматривает разделение стеновых силикатных изделий на

классы по средней плотности. Снижение средней плотности силикатных изделий достигается двумя способами: первый — за счет создания пустот в объеме изделия, второй — за счет формирования пористой структуры материала различными способами. Существенного улучшения теплофизических свойств и снижения средней плотности для силикатного кирпича можно достигнуть только за счет замены части плотного природного кварцевого песка на пористый заполнитель. Несложные подсчеты показывают, что для получения эффективного силикатного кирпича со средней плотностью менее 900 кг/м3 из традиционных формовочных масс средней плотностью тела 1800—2200 кг/м3 необходимо создать пустотность более 60%, что сделать технически сложно и нерационально. Повышенная пустотность не приведет к существенному снижению теплопроводности стеновых конструкций, а уменьшение рабочей площади изделия приведет к резкому снижению прочности. Полнотелый кирпич прочностью при сжатии 200 кг/см2 после создания 60% пустотности в лучшем случае будет иметь прочность 80 кг/см2, что не удовлетворяет требованиям ГОСТ 379-2015.

Наиболее целесообразным является путь, связанный с использованием мелких пористых заполнителей вместо кварцевого песка в составе формовочных масс. Для снижения средней плотности полнотелых изделий 2200 кг/м3 до средней плотности менее 900 кг/м3 необходимо порядка 65% его объема заменить на пористый заполнитель с насыпной плотно-

Рис. 1. Внешний вид зольных микросфер

стью не более 300 кг/м3. При этом заполнитель должен быть не только легкий, но и достаточно прочный, а также обладать реакционной активностью к известковому вяжущему.

На фоне дефицита эффективных заполнителей следует считать перспективной постановку задачи использования легких компонентов, выделяемых из отходов промышленных производств, которые могут стать вторичными ресурсами строительной промышленности. Исходя из рекомендуемого ГОСТ 379—2015 перечня материалов для изготовления силикатных изделий наиболее перспективными являются отходы тепловых электростанций. Таким пористым компонентом для силикатного производства могут стать составляющие отходов от сжигания угля на электростанциях, которые принято называть алюмосили-катными микросферами. Кроме того, актуальность данного направления работ обусловлена необходимостью утилизации отходов ТЭС и будет сопровождаться экологическим и экономическим эффектом и благоприятными изменениями в окружающей среде.

Зольные микросферы (ЗМ) являются компонентом золошлаковых смесей всех ТЭС, сжигающих каменный уголь в пылевидном состоянии. Образование зольных микросфер происходит при высокотемпературном нагреве минеральных компонентов пылеугольного топлива, которые при нагревании претерпевают сложные

фазовые преобразования. Количество, форма и размеры образующихся алюмосиликатных микросфер во многом зависят от состава минеральной части углей, температуры и аэродинамических условий топочной камеры. Поэтому содержание микросфер для различных типов углей неодинаково на различных ТЭС и колеблется в диапазоне от 0,1 до 5% [6—9].

Промышленное использование ЗМ отечественных ТЭС невелико и находится на экспериментальной стадии. В большинстве случаев зольные микросферы сбрасываются в золоотвалы, откуда ветром разносятся на большие расстояния по причине своей малой плотности и загрязняют окружающую среду.

Образуются зольные микросферы и на Новочеркасской ГРЭС (Ростовская обл.). Большая часть зольных микросфер накапливается на поверхности отстойных прудов и через водосбросные колодцы попадает в обводной канал системы оборотного водоснабжения электростанции, где накапливается на поверхности канала вблизи гидрозатвора насосной станции. Содержание зольных микросфер Новочеркасской ГРЭС находится в пределах 1—2% от общего количества золошлаковых отходов, что составляет порядка 1500 т в год, или 3750 м3 в год. В химическом составе ЗМ Новочеркасской ГРЭС преобладающими оксидами являются оксиды кремния, алюминия и железа (табл. 1).

Рентгенофазовый анализ зольных микросфер Новочеркасской ГРЭС показывает, что основным элементом дифракционной картины является широкий диффузный максимум, характерный для стеклофазы с большим содержанием кремнезема. Всегда отмечается присутствие кварца, алюмосиликатов — муллита, силлиманита, кианита, минералов со структурой шпинели. Как правило, эти минералы имеют несовершенную кристаллическую структуру, что обусловлено экстремальными условиями их кристаллизации в процессе быстрого расплавления и остывания исходного сырья. Дифференциальные кривые нагревания ДТА зольных микросфер Новочеркасской ГРЭС характеризуются отчетливо выраженным экзотермическим эффектом в интервале температуры 920—950оС, который связан с выгоранием коксовых остатков, находящихся в составе зольных микросфер. Потеря массы при этом составляет 2,5%. Суммарная концентрация вредных элементов и удельная активность радионуклидов удовлетворяют требованиям санитарных норм.

Химический состав зольных микросфер Новочеркасской ГРЭС

Таблица 1

SiO2 А12О3 Fe2O3 + FeO К20 + Na2O СаО МдО ТЮ2 Р2О5 SOз ППП

50-60 25-35 1-5 0,5-4 0,6-1 0,6-1,6 0,5-1 < 0,1 < 0,1 0,25

Таблица 2

Физико-механические характеристики ЗМ Новочеркасской ГРЭС

Характеристики Ед.измерения Значение

Истинная плотность оболочки кг/м3 2490-2500

Плотность зерен кг/м3 580

Насыпная плотность кг/м3 380-410

Диаметр мкм 20-200

Толщина оболочки мкм 2-15

Пустотность % 28-30

Коэффициент теплопроводности Вт/(м°С) 0,11-0,125

Прочность при сжатии в цилиндре МПа 1,8

Удельная поверхность см2/г 2800-3100

18

сентябрь 2018

] ®

1200

1100

„- 1000

900

800

700

10

16

15 20 25

Удельное давление прессования, МПа

Рис. 2. Зависимость плотности от давления прессования. Содержание известкового компонента: 1 - 10%; 2 - 20%; 3 - 30%

4

10 20 30

Содержание известкового компонента, %

Рис. 3. Зависимость прочности при сжатии от содержания извести. Давление прессования: 1 - 10 МПа; 2 - 15 МПа; 3 - 20 МПа; 4 - 30 МПа

Таблица 3

Результаты испытаний формовочных масс

Содержание вяжущего Удельное давление прессования, МПа Предел прочности при сжатии, МПа Средняя плотность, кг/м3 Водопоглощение, % Коэффициент размягчения

10% 10 4,9 791 32 0,85

15 7,2 876 28 0,71

20 8,1 964 22 0,83

30 9,9 1077 16 0,92

15% 10 4,9 825 29 0,98

15 7,1 923 21 0,95

20 8,4 970 22 0,78

30 10,1 1103 18 0,91

20% 10 6,6 817 25 0,80

15 8,4 918 20 0,96

20 10,2 1014 18 0,90

30 12,9 1147 15 0,87

Гранулометрический состав зольных микросфер Новочеркасской ГРЭС представлен частицами от 20 до 200 мкм с преимущественным содержанием фракций от 80 до 100 мкм (рис. 1). Основные физико-механические характеристики ЗМ приведены в табл. 2.

С целью уменьшения средней плотности автоклавного бетона в нашей работе часть кварцевого песка заменялась пористым заполнителем из зольных микросфер. Для этого изготавливались составы формовочных масс, содержащие 10, 15 и 20% традиционного силикатного вяжущего, полученного в результате совместного измельчения кварцевого песка и негашеной извести, и заполнитель из зольных микросфер. Из полученных масс формовались образцы методом двустороннего прессования с удельным давлением 10, 15, 20 и 30 МПа. Отформованные образцы подвергались автоклавной обработке по заводскому режиму 2+8+1,5 ч в условиях реального производства ООО «КДСМ» в г. Ростов-на-Дону. У полученных образцов определялась прочность при сжатии, средняя плотность, водопоглощение и коэффициент размягчения. Результаты полученных данных представлены в табл. 3.

По результатам экспериментов было установлено, что замена кварцевого песка зольными микросферами в составе формовочных масс позволяет достичь поставленной цели - снизить среднюю плотность силикатных образцов до значений 790-1080 кг/м3. При этом увели-

чение содержания зольных микросфер в составе формовочных масс позволяет уменьшать среднюю плотность силикатных образцов независимо от удельного давления прессования. Резкий скачок средней плотности у образцов, полученных при удельном давлении прессования 30 МПа, связан с частичным дроблением зольных микросфер. Увеличение давления сопровождается плавным ростом плотности образцов независимо от содержания вяжущего. Это свидетельствует о достаточной прочности микросфер, чтобы не разрушаться при традиционных давлениях прессования силикатных изделий.

Прочность получаемых образцов в большей степени зависит от удельного давления прессования и в незначительной степени от увеличения содержания силикатного вяжущего, что связано с заполнением межзерновой пустотности микросфер вяжущим и образованием

Таблица 4

Составы формовочных масс на основе извести

Состав Известь, %, по сухому веществу Микросферы, мас. % Влажность смеси, %

№ 1 10 90 20

№ 2 20 80

№ 3 30 70

Таблица 5

Физико-механические свойства изделий опытных партий

Наименование показателей Результаты испытаний Требования ГОСТ 379

Средняя плотность, кг/м3 980 900-1000

Предел прочности при сжатии, МПа среднее 11,4 не менее 10

наименьшее 11,7 не менее 8

Предел прочности при изгибе, МПа среднее 2,7 не менее 2

наименьшее 1,8 не менее 1,3

Водопоглощение, мас. % 20,8 не менее 6

Морозостойкость, циклов F50 не менее F25

более полноценной контактной зоны на границе вяжущее — заполнитель. Это предположение подтверждается результатами определения водопоглощения образцов, которое уменьшается по мере увеличения удельного давления прессования и расхода вяжущего.

Из литературных источников известен способ получения силикатных стеновых изделий из пористого кремнеземсодержащего заполнителя, пропитанного известковой суспензией (известковым молочком). С целью еще большего снижения средней плотности и повышения прочности автоклавных силикатных изделий были проведены работы по получению образцов из формовочных масс, полученных в результате обработки зольных микросфер известковым молочком. Данный способ предусматривает смешивание двух компонентов: заполнителя в виде зольных микросфер и извести в виде известковой суспензии. Известковое молочко смешивалось с микросферическим заполнителем в процентных соотношениях, представленных в табл. 4. Полученные смеси, как и в случае с традиционным силикатным вяжущим, вылеживались в герметичной таре, после чего из них прессовали образцы при тех же удельных давлениях прессования: 10, 15, 20 и 30 МПа, после чего они подвергались автоклавной обработке в аналогичных условиях.

Из результатов экспериментов, представленных на рис. 2 и 3, видно, что замена силикатного вяжущего на известковое молочко несущественно повлияла на изменение средней плотности образцов, но позволила повысить их прочность. Плотность полученных образцов соответствует классам от 1 до 1,2, что соответствует цели исследований. Кроме того, данный способ приготовления формовочной массы позволит отказаться от длительного и дорогостоящего процесса приготовления силикатного вяжущего.

Как видно из графика на рис. 3, увеличение содержания известкового компонента до 20—22% сопровождается увеличением прочности материала, а затем происходит ее снижение. Снижение прочности происходит вследствие того, что часть извести из-за ее избытка остается свободной и не участвует в процессах образования гидросиликатов кальция. Увеличивающаяся

Список литературы

1. Вахнин М.П., Анищенко А.А. Производство силикатного кирпича. М.: Высшая школа, 1983. 191 с.

2. Хавкин Л.М. Технология силикатного кирпича. М.: Эколит, 2011. 384 с.

3. Пономарев И.Г. Российский рынок силикатного кирпича // Строительные материалы. 2009. № 9. С. 4—11.

4. Талпа Б.В., Котляр В.Д., Черевкова Я.В. Перспективы производства силикатного кирпича с улучшенными теплофизическими свойствами на основе кремнистых пород // Строительные материалы. 2008. № 11. С. 31-33.

прочность изделий при увеличении удельного давления прессования объясняется более плотным заполнением структуры материала твердой фазой за счет межзерновой пустотности заполнителя и, по-видимому, частичным дроблением микросфер.

Полученные данные свидетельствуют о возможности получения автоклавных силикатных изделий марок по прочности М100—150 и класса по плотности 1—1,2 из зольных алюмосиликатных микросфер как с использованием традиционного известково-кремнеземистого вяжущего, так и по упрощенной технологии с использованием только извести.

Лабораторные рецептуры и параметры изготовления легли в основу выпуска опытной партии силикатных изделий. Подготовка сырьевых материалов, приготовление формовочной массы и формование изделий проводилось в лабораторных условиях. Автоклавная обработка осуществлялась в заводских условиях по общепринятому режиму. Силикатный кирпич после охлаждения подвергался испытаниям на соответствие требованиям ГОСТ 379-2015.

Результаты испытаний, представленные в табл. 5, свидетельствуют о соответствии полученного силикатного кирпича требованиям ГОСТ 379-2015, который характеризуется маркой по прочности М100, классом средней плотности 1, морозостойкостью F50 и водопо-глощением 21%. С технико-экономической точки зрения использование зольных микросфер в производстве силикатных стеновых материалов позволит решить не только техническую задачу, но и экологические проблемы, вызванные необходимостью складирования и хранения этого пылящего и небезопасного отхода производства. Положительные результаты проведенных экспериментов позволяют размышлять о целенаправленном получении микросфер для производства силикатных стеновых изделий, и перспективные работы в этом направлении нами ведутся [10, 11]. Рациональная пустотность изделий позволит снизить среднюю плотность до значений менее 800 кг/м3, что будет сопоставимо с плотностью высокоэффективных керамических блоков прочих мелкоштучных изделий повышенной пустотности.

References

1. Vakhnin M.P., Anischenko A.A. Praizvodstvo silikatno-go kirpicha [Manufacture of silicate bricks]. Moscow: Vysshaya shkola. 1983. 191 p.

2. Khavkin, L.M. Tekhnologiya silikatnogo kirpicha [Technology of silica brick]. Moscow: Ecolit. 2011. 384 p.

3. Ponomarev I.G. Russian market of silicate brick. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 9, pp. 4-11. (In Russian).

4. Talpa B.V., Kotlyar V.D., Cherevkova Ya.V. Prospects for the production of silicate brick with improved ther-mophysical properties based on siliceous rocks. Stroitel'nye

20

сентябрь 2018

ы ®

5. Спешилова Н.В., Алькеева Э.С., Акулова А.Ш., Старков Д.А. Анализ рынка производства силикатного кирпича в России. Актуальные вопросы экономики, менеджмента и финансов в современных условиях: Сб. научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. СПб.: ИЦРОН. 2018. № 5. С. 201-205.

6. Кизильштейн Л.Я., Шпицглуз А.Л. Рылов В.Г. Алюмосиликатные микросферы золы пылеугольно-го сжигания углей // Химия твердого топлива. 1987. № 6. С. 122-126.

7. Мальцев Е.В., Козлов А.В., Каклюгин А.В, Козлов Г.А. Ячеистые бетоны на основе зольных микросфер Новочеркасской ТЭС // Вестник БелГТАСМ. 2003. № 5. С. 404-405.

8. Козлов А.В., Ким С.А., Шпилева А.А. Зольные отходы в производстве стеновых строительных материалов. Строительство-2013: Материалы международной научно-практической конференции. Ростов н/Д.: РГСУ, 2013. С. 52-54.

9. Мальцев Е.В. Эффективный конструкционно-теплоизоляционный легкий бетон // Известия РГСУ. 1999. № 4. С. 230-232.

10. Козлов Г.А., Котляр В.Д., Козлов А.В. Особенности получения эффективного пористого заполнителя из кремнистых пород Ростовской области // Строительные материалы. 2009. № 6. С. 88-89.

11. Котляр В.Д., Козлов Г.А., Животков О.И. Эффективные стеновые материалы с использованием силикат-натриевого пористого заполнителя. Строительство и архитектура — 2015: Материалы международной научно-практической конференции. Ростов н/Д.: РГСУ, 2015. С. 291-293.

Materialy [Construction Materials]. 2008. No. 11, pp. 31—33. (In Russian).

5. Speshilova N.V., Alkeeva E.S., Akulova A.Sh., Starkov D.A. Analysis of the market of silicate brick production In Russia. Actual issues of economics, management and finance in modern conditions: Collection of scientific papers on the results of the international scientific and practical conference. Sankt-Petersburg: ITSRON. 2018. No. 5, pp. 201-205. (In Russian).

6. Kizilstein L.Ya., Shpitsgluz A.L. Rylov V.G. Aluminosilicate microspheres of ash of pulverized coal combustion. Khimiya tverdogo topliva. 1987. No. 6, pp. 122-126. (In Russian).

7. Maltsev E.V., Kozlov A.V., Kaklyugin A.V., Kozlov G.A. Cellular concrete on the basis of ash microspheres of Novocherkasskaya TPP. VestnikBelGTASM. 2003. No. 5, pp. 404-405. (In Russian).

8. Kozlov A.V., Kim S.A., Shpileva A.A. Ash waste in the production of wall building materials. Stroitel'stvo-2013: Papers of the International Scientific and Practical Conference. Rostov-on-Don: RGSU. 2013, pp. 52-54. (In Russian).

9. Maltsev E.V. Effective structural and heat-insulating lightweight concrete. Izvestiya RGSU.1999. No. 4, pp. 230-232. (In Russian).

10. Kozlov, G.A., Kotlyar, V.D., Kozlov, A.V., Features of obtaining an effective porous filler from siliceous rocks in the Rostov region. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 6, pp. 88-89. (In Russian).

11. Kotlyar V.D., Kozlov G.A., Zhivotkov O.I. Effective wall materials using silicate-sodium porous aggregate. Construction and Architecture — 2015: Papers of the International Scientific and Practical Conference. Rostov-on-Don: RGSU. 2015, pp. 291-293. (In Russian).

/¿S^N Новые технологии ij¡r

Г——J Современная тешн изоляция!

Утеплитель Тепофол® \w i s

Надежный

безвредный с неограниченным сроком службы

mmk

щШ

\ m

m

IbUDI

в рулонах с замковым соединением образует единое теплоизоляционное полотно Технология запатентована. Патент № 2645190

шт.щ

JÉ HS*

легко утеплять и контролировать работу

- , ■

Производственная компания ТЕПОФОЛ

8(495)517 3300 105318 Москва, ул. ЩербакЬвская, д. 3

8 800 700 3048 ¡nfo@tepofoi.ru

щшл Г^'-^р^ЯВВ

TeDofol.

Реклама

научно-технический и производственный журнал J ® сентябрь 2018