CC BY
27
УДК 666.712:622.355-229.88
СКРИПНИКОВА НЕЛЛИ КАРПОВНА, докт. техн. наук, профессор, nks2003@mail. ru
ТОГИДНИЙ МАКСИМ ЛЕОНИДОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, Togidml@sibmail. com
ЛАПОВА ТАТЬЯНА ВИКТОРОВНА, канд. хим. наук, доцент, Tatlapova@gmail. com
ЗУБКОВА ОЛЬГА АЛЕКСАНДРОВНА, канд. техн. наук, доцент, Zubkova0506@mail. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
СТЕНОВЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАРБОНАТНЫХ ОТХОДОВ
Разработаны компонентные составы и технологические режимы получения строительного керамического кирпича на основе карбонатных отходов. Исследованы технологические свойства сырьевых компонентов, а также физико-химические и физико-механические свойства керамического кирпича. Установлены процессы фазообразова-ния при обжиге сырьевой смеси. Получены образцы стеновых керамических изделий с физико-механическими показателями, соответствующие марке кирпича 200 и выше. На основании проведенных экономических расчетов установлено, что использование отходов теплоэнергетики в производстве керамических материалов позволяет снизить себестоимость продукции в целом на 30-40 % с учетом цен 2011 г.
Ключевые слова: керамические изделия; карбонатные отходы; микроструктура; рентгенофазовый анализ; алюмосиликатные соединения; физико-химические исследования.
NELLIK. SKRIPNIKOVA, DSc, Professor, nks2003@mail. ru
MAKSIM L. TOGIDNIY, PhD, A/Professor,
Togidml@sibmail. com
TATYANA V. LAPOVA, PhD, A/Professor,
Tatlapova@gmail. com
OLGA A. ZUBKOVA, PhD, A/Professor,
Zubkova0506@mail. ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
CARBONATE WASTE AND WALL CERAMICS PRODUCED THEREFROM
The paper presents compositions and operating modes for ceramic brick production based on carbonate waste. Technological properties of waste components have been investigated. Phase formation processes have been detected in raw mix roasting. The specimens of wall ceramics have been produced possessing physical-mechanical properties satisfying brick type 200 and higher. Based on economic design provided, it has been stated that heat-and-power engineering waste used in ceramics production allows lowering cost production 30-40% allowing for 2011-year prices.
© Н.К. Скрипникова, М.Л. Тогидний, Т.В. Лапова, О.А. Зубкова, 2013
Keywords: ceramic products; carbonate waste; microstructure; roentgen-phase
analysis; silica-alumina compounds; physicochemical research.
Развитие промышленного и гражданского строительства обусловливает необходимость увеличения производства и применения экологически чистых, конкурентоспособных и в то же время недорогих стеновых и облицовочных керамических изделий. Поэтому перед предприятиями-производителями кирпича стоит проблема улучшения качества стеновой керамики и расширения ее ассортимента. Главным направлением развития керамической промышленности России в ближайшие годы должны стать расширение номенклатуры выпускаемой продукции и повышение ее качества.
В последнее время уделяется большое внимание совершенствованию технологии производства керамических стеновых изделий, внедрению в технологический процесс нетрадиционного и техногенного сырья. В то же время такому виду сырья, как отходы горючих сланцев, и их использованию не уделяется должного внимания. Накопление запасов техногенных продуктов производства при уменьшении качественного природного сырья делает актуальной проблему утилизации отходов. Известно о скоплении нескольких миллиардов тонн углеродсодержащих отходов и отходов горючих сланцев, количество которых из года в год увеличивается.
Отходы горючих сланцев по химическому составу представлены в основном карбонатом кальция с примесями кварца [1]. Одним из экономически выгодных направлений использования карбонатных отходов является получение на их основе стеновых керамических изделий с высокими эксплуатационными свойствами, удовлетворяющими требованиям государственных стандартов.
Целью данной работы является исследование возможности использования карбонатных отходов для получения стеновых керамических изделий.
Исходными компонентами для подбора состава шихты были взяты природные материалы - глины Томской области и техногенные отходы переработки горючих сланцев - карбонатсодержащее сырье.
Выбор отходов был сделан не случайно, т. к. исходя из литературных данных карбонатные отходы непосредственно в производстве строительных керамических материалов практически не применяются. В лабораторных условиях осуществлялся подбор состава исходных компонентов, влажности сырьевой смеси, режима формования, а также сушки и обжига керамических изделий.
В табл. 1 представлены основные компонентные составы исследуемых сырьевых масс.
Таблица 1
Компонентный состав исследуемых масс с использованием карбонатных отходов
Компоненты Содержание компонентов, масс. %
Глина (Томская область) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 -
Карбонатные отходы (г. Сланцы, Ленинградская область) - 10 20 30 40 50 60 70 80 100
Данная вариация проводилась для выяснения физико-химических процессов, происходящих при спекании глинистого сырья и карбонатных отходов. Кроме того, определялись физико-механические показатели готовых керамических изделий в соответствии с ГОСТ 530-2007, которые представлены в табл. 2.
Таблица 2
Физико-механические свойства стеновых керамических изделий в зависимости от составов
Соотношение компонентов, масс. % Ясж, М Па Яизг, М Па кг/м3 Ж, % циклы
Глина 100 29,0 7,0 1900 14,1 75
Глина/ карбонатные отходы 90 / 10 23,2 8,8 1700 12,1 75
80 / 20 22,1 12,1 1500 12,2 75
70 / 30 20,0 12,9 1400 12,1 75
60 / 40 19 11 1300 13 35
Из данных, представленных в табл. 2, при соотношении компонентов 70 % глины и 30 % карбонатных отходов образуются изделия с максимальными физико-механическими показателями: Лсж = 20,0 МПа, Rизг = 12,9 МПа, Ж = 12,1 %, F = 75 циклов. При дальнейшем повышении содержания карбонатных отходов в силикатной смеси происходит снижение физико-механических показателей [1].
Таким образом, оптимальным составом для получения керамических изделий с использованием отходов горючих сланцев является 70 % глины и 30 % карбонатных отходов.
Процессы фазообразования, протекающие при нагревании в смеси глины с карбонатными отходами, объясняют наблюдаемый характер их спекания и дают возможность обосновать количественные пределы компонентов в массах.
С целью изучения физико-химических процессов, протекающих при получении обжиговых керамических материалов с добавлением карбонатных отходов, был проведен рентгенофазовый анализ, представленый на рис. 1.
Из результатов рентгенофазового анализа следует, что керамический образец из глины (рис. 1, а) представлен алюмосиликатными соединениями: кварцем ^Ю2) с й = 0,334, 0,425, 0,269, 0,245, 0,197, 0,181 и 0,154 нм, анортитом (Са0А1203^Ю2) с й = 0,320 нм, силлиманитом (А1203 ^Ю2) с й = 0,277 и 0,212 нм и частично аморфизированной фазой.
Исходя из полученной дифрактограммы карбонатные отходы после обжига (рис. 1, б) представлены следующими фазами: кварцем ^Ю2) с й = 0,334,
0,425, 0,245, 0,181, 0,373, 0,322 нм, волластонитом (^Юз) с d = 0,298 и 0,229 нм, геленитом (Са2А1^Ю7) с d = 0,175 нм, а также оксидом кальция (СаО) с d = 0,239, 0,169 нм и двухкальциевым силикатом (С^) с d = 0,287 нм.
Рис. 1. Дифрактограмма керамических образцов, обожженных при Т = 950 °С:
а - глина; б - карбонатные отходы; в - глина 70 %, карбонатные отходы 30 %
Керамические образцы (рис. 1, в), состоящие на 70 % из глины и на 30 % из карбонатных отходов, представлены преимущественно рефлексами с межплоскостными расстояниями d = 0,298, 0,382, 0,776, 0,406, 0,349, 0,307, 0,229, 0,217 нм, которые идентифицируются как волластонитоподобные соединения (СаSiO3). Кроме того, в образце наблюдаются рефлексы геленита (Са2А1^А1)0у) с d = 0,284, 0,175 нм, мелилита (7СаО-2АЬО3^Ю2) с d = 0,171 нм и диопсида (CaMg(Si206)) с d = 0,252, 0,240, 0,201, 0,162 нм, также в образце присутствуют рефлексы кристаллического кварца ^Ю2) с d = 0,334 и 0,181 нм.
Данные рентгенофазового анализа керамических образцов, указывающие на образование волластонитоподобных фаз, подтверждают микроскопические исследования. Из них следует, что волластонит кристаллизуется в виде игольчатых кристаллов с длиной 50-150 мкм (рис. 2). Волокнистая структура
отчетливо видна при увеличении в 8000 раз и более ярко выражена при увеличении в 30 000 раз. За счет волокнистой структуры волластонитовых соединений происходит всплеск прочности при изгибе от 7 до 12,9 МПа. Кроме того, происходит образование крупных закрытых пор (отчетливо видны на рис. 2, б), благодаря которым снижается средняя плотность керамических изделий. Спекание образцов из масс с карбонатными отходами и армирующий эффект, проявляемый волластонитом, обеспечивают высокую прочность керамическим изделиям [2].
Установлено, что образование волластонитов происходит при использовании карбонатных отходов в количестве до 30 % с дисперсностью не более 60 мкм. Карбонатная составляющая требует равномерного распределения в мелкодисперсном состоянии в смеси с глинистым сырьем.
а б
Рис. 2. Микроструктура керамического образца с применением карбонатных отходов (30 %), обожженного при температуре 950 °С: а - увеличение 8000; б - увеличение 30 000
Если же карбонатные отходы присутствуют в виде крупных включений с размером частиц более 60 мкм и свыше 30 %, то после обжига оставшиеся оксиды кальция поглощают влагу из воздуха, образуя гидроксиды кальция, и разрывают керамический образец, что согласуется с литературными данными [3].
Таким образом, при использовании карбонатных отходов от сгорания горючих сланцев (г. Сланцы) были получены образцы стеновых керамических изделий с физико-механическими показателями, соответствующие марке кирпича 200 и выше. При этом технология не требует серьезных переделов и снижается себестоимость изделий с попутным решением экологических проблем, связанных с большим ростом объема накапливаемых отходов.
На основании проведенных экономических расчетов можно сделать вывод, что использование отходов теплоэнергетики в производстве керамических материалов позволяет снизить себестоимость продукции в целом на 30-40 % с учетом цен 2011 г.
Библиографически список
1. Тогидний, М.Л. Строительные стеновые керамические изделия с использованием силикатных и карбонатных отходов : дис. ... канд. техн. наук. - Томск, 2011. - 131 с.
2. Верещагин, В.И. Физико-химическое изучение пористых композиционных материалов на основе жидкого стекла и природных силикатов / В.И. Верещагин, Л.П. Борило, А.В. Козик // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2003. - Т. 46. - № 8. -С. 146-148.
3. Гончаров, Ю.И. Разработка технологии высококачественного кирпича на основе суглинков с повышенным содержанием оксида кальция / Ю.И. Гончаров, Т.А. Варенникова // Строительные материалы. - 2004. - № 2. - С. 46-47.
References
1. Togidniy, M.L. Stroitelnyye stenovyye keramicheskiye izdeliya s ispolzovaniyem silikatnykh i karbonatnykh otkhodov [Building wall ceramics using silicate and carbon waste]. Tomsk, 2011. 131 p.
2. Vereshchagin, V.I., Borilo, L.P., Kozik, A.V. Fiziko-khimicheskoye izucheniye poristykh kompozitsionnykh materialov na osnove zhidkogo stekla i prirodnykh silikatov [Physico-chemical study of porous composite materials based on liquid glass and natural silicates]. News of Higher Educational Institutions. Chemistry and Chemical Technology. 2003. V. 46. No. 8. P. 146-148. (rus)
3. Goncharov, Yu.I., Varennikova, T.A. Razrabotka tekhnologii vysokokachestvennogo kirpicha na osnove suglinkov s povyshennym soderzhaniyem oksida kaltsiya [High-quality loam brick high in calcium oxide]. Stroitelnyye materialy. 2004. No. 2. P. 46-47. (rus)
