CC BY
20
УДК 666.71/72:622.333.004.68
ТОГИДНИЙ МАКСИМ ЛЕОНИДОВИЧ, аспирант, funk@sibmail.com
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
СТЕНОВЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПОРОДОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ
Исследованы физико-механические и физико-химические свойства породообразующего материала Кузбасского региона, разработаны составы и технологические режимы получения стенового керамического кирпича. Установлены процессы фазообразования при обжиге породообразующих отходов.
Ключевые слова: физико-механические исследования, стеновой керамический кирпич, породосодержащие отходы, фазообразование.
TOGIDNIY, МАХ1МLEONIDOVICH, P.G., funk@sibmail.com
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
WALL CERAMIC MATERIALS BASED ON ROCK-CONTAINS WASTES OF COAL CONCENTRATION
Physico-mechanical and physico-chemical properties of a rockforming material of the Kuzbass region have been investigated. The structures and technological modes of obtaining the wall ceramic brick have been worked out. Processes of phase formation at roasting of rock-forming waste have been determined.
Keywords: physico-mechanical research, wall ceramic brick, rock-forming waste, phase formation.
На сегодняшний день одной из наиболее важных социально-экономических проблем в России является строительство качественного и доступного для населения жилья. В связи с этим необходимо увеличить ассортимент энергоэффективных стеновых керамических материалов.
Актуальное решение проблем в строительстве лежит в использовании нетрадиционных сырьевых материалов при получении стеновых керамических изделий.
Для производства стеновой керамики применяют как природные, так и различные техногенные отходы.
В последнее время большое внимание уделяется применению различных отходов угледобывающей промышленности в качестве сырьевых материалов для получения стеновых керамических изделий.
Связано это с тем, что значительный рост объемов обогащения угля сопровождается образованием большого количества отходов, около 10 млн т в год [1]. Все отходы угольной промышленности можно разделить на две группы. Углеотходы с содержанием углерода более 24 %, которые рацио-
© М. Л. Тогидний, 2009
нально применять в виде топлива. Другая часть отходов, которая содержит до 24 %, может использоваться в строительстве. По минеральному составу отходы углеобогащения представляют собой смесь метаморфизированных пород полиминерального состава, которые состоят из глинистых минералов, углесодержащих веществ, кварца, полевых шпатов, слюд и других веществ. Глинистые минералы представлены в основном гидрослюдами и каолинитом, которые после обжига переходят в муллитоподобные минералы [2].
Целью данного исследования является разработка состава и технологии получения стеновых керамических материалов на основе породосодержащих отходов углеобогащения.
Породообразующим отходом углеобогащения является порода Кузбасского региона, которая представлена глинами, кварцевым песком и др. В качестве глинистых минералов были взяты глины Беловского (Кемеровская область) и Родионовского (Томская область) месторождений. Для определения возможности применения отходов углеобогащения в производстве керамических строительных материалов были исследованы химический и гранулометрический составы.
Химический состав исходных компонентов представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав исходного сырья
Сырьевые материалы 8І02 АІ2О3 РЄ20з СаО МяО п.п.п
Глина Беловская 66,44 12,75 4,36 6,25 1,4 6,92
Глина Родионовская 66,0 14,17 3,33 5,2 2,08 7,26
Породообразующий материал 66,76 12,55 5,06 2,55 1,82 11,05
Из таблицы видно, что по химическому составу породообразующий материал схож с глинистым сырьем. Значительное содержание кремнезема во всех сырьевых материалах говорит о их запесоченности. Кремнезем находится как в связанном виде в глинистых минералах, так и в свободном состоянии. Сырьё, содержащее 12-14 % глинозема, вполне пригодно для изготовления изделий из строительной керамики. Оксиды кальция и магния служат составными компонентами глинистых минералов и примесей (карбонаты, сульфаты, силикаты). По значениям потерь при прокаливании (11,05 %) возможно предположить более низкую среднюю плотность готовых изделий в сравнении с эталоном.
Важную роль в исследовании горных пород играет изучение гранулометрического состава, который показывает относительное содержание в ней частиц различных размеров независимо от их химического или минералогического состава. Определение гранулометрического состава дает сравнительную характеристику дисперсности сырья по содержанию шести фракций. По гранулометрическому составу все указанное сырье (табл. 2) относится к низкодисперсным глинам, т. к. содержание в них глинистых частиц менее
0,001 мм от 15 до 40 %. Водозатворение, воздушная усадка и связанность выражены в тонкодисперсной глине тем сильнее, чем более развита в ней пели-товая фракция (частицы от 0,01 мм и мельче). Такие глины вполне пригодны для производства кирпича [3].
Разные фракции обычно представлены различными минералами. Содержание кремнезема, как правило, уменьшается в пелитовой и коллоидной фракциях.
Таблица 2
Зерновой состав сырьевых компонентов
Наименова- ние Содержание фракции, % частиц размером в мм
1-0,25 0,25-0,06 0,06-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 < 0,001 Сумма
Породообра- зующий материал 0,61 2,22 11,17 53,52 18,64 18,84 100
Беловская глина 0,62 5,37 42,89 10,22 17,74 23,16 100
Родионовская глина 2,89 6,75 49,84 7,78 9,3 23,44 100
Родионовская и Беловская глины имеют значения пластичности 8,1 и 9,8 соответственно. По результатам исследований число пластичности для породообразующего материала составляет 7,0. Пластичность глинистого сырья позволяет использовать его при получении обжиговых керамических материалов методом полусухого формования с высокими физико-механическими характеристиками. При изготовлении керамических образцов давление формования составляло 25 МПа, температура тепловой обработки 950 °С. Время обжига 8 ч.
После обжига полученные образцы исследовали по физико-механическим показателям, результаты которых представлены в табл. 3.
По результатам физико-механических испытаний образцы, содержащие 100 % породообразующего материала, имеют наибольшую прочность при сжатии (30 МПа) и наиболее низкий показатель средней плотности (1820 кг/м3).
Из проведенных исследований можно сделать вывод, что образцы, полученные с использованием породосодержащих материалов, обладают более эффективными эксплуатационными характеристиками и сравнимы с образцами на основе глин Беловского и Родионовского месторождений. Механическая прочность изделия обеспечивается физико-химическими процессами, происходящими при обжиге изделий.
С целью изучения физико-химических процессов, протекающих при получении обжиговых керамических материалов на основе породообразующих отходов углеобогащения, был проведен рентгенофазовый анализ (рисунок).
Таблица 3
Оптимальные составы и эксплуатационные характеристики полученных образцов
№ образца Соотношение компонентов, мас. % Эксплуатационные характеристики
Белов- ская глина Родио- новская глина Породооб- разующий материал Прочность на сжатие, МПа Плотность, кг/м3 Водопо- глощение, %
1 100 - - 29 1900 14,1
2 - 100 - 25 1990 12,3
3 10 - 90 30 1890 13
4 - 10 90 27 1900 12,2
5 20 - 80 29 1870 12,9
6 - 20 80 23 1880 12,1
7 - - 100 30 1820 12,6
а
б
Рентгеновские дифрактограммы образцов:
а - породообразующий материал до обжига; б - породообразующий материал после обжига; в - Беловская глина после обжига
Породообразующий материал до обжига представлен монтмориллонитом с межплоскостными расстояниями й = 3,16; 2,44; 1,66, гидрослюдистым минералом с й = 2,54; 2,11; 1,96 и кварцем с й = 4,21; 3,64; 2,44. На основании этого породообразующий материал до стадии обжига представляет собой монтмориллонито-гидрослюдистый минерал с включениями свободного кварца. Структура минералов на основе монтмориллонита может существенно изменяться при попеременном замораживании и оттаивании. Увеличивается дисперсность агрегатов и кристаллов, а так же изменяется их морфология, но без разрушения кристаллической решетки [4]. Породообразующий материал после обжига (рис. 1, б) с рефлексами й = 3,23, 182 - волластонит, й = 4,27, 2,46 - межплоскостные расстояния соответствуют соединениям кварца (Р-кварц), а так же представлен 2,29 - геленито-, 3,36 - муллито- и 2,13 -анортитоподобными соединениями и аморфной фазой. Беловская глина (рис. 1, в) представлена алюмосиликатными соединениями: й = 5,36, 2,12 -муллит, 3,34 - кианит, 2,67 - монтичелли, 1,81 - геленит и соединениями кварца с й = 4,30.
Следует отметить важнейшие свойства минералов глин - способность к изоморфным замещениям в кристаллической решетке и, как следствие, к метаморфическим изменениям - переходу одного минерала в другой. Изменчивость, подвижность, высокая катионная емкость и развитая поверхность делают глинистые минералы поистине уникальными. Например, рефлекс с межплоскостным расстоянием 2,44, относящийся к монтмориллониту, в процессе термической обработки проходит фазовый переход от монтмориллонита к анортитоподобным соединения (й = 2,13), что согласуется с литературными данными [5].
Таким образом, из рентгенофазового анализа следует, что при обжиге полиминеральных компонентов (монтмориллонито-гидрослюдистых) образуются алюмосиликатные соединения, обеспечивающие высокими прочностными характеристиками полученные керамические образцы.
Было установлено, что для получения стенового керамического кирпича возможно использовать состав со 100 % по массе содержанием породосодержащих отходов угледобывающей промышленности без каких-либо добавок. При этом физико-механические свойства заметно улучшаются, и достигается значительный экономический эффект.
Библиографический список
1. Рубан, В.А. Использование отходов углеобогащения в промышленности / В.А. Рубан. -М. : Недра, 1990. - 223 с.
2. Панова, В. Ф. Строительные материалы на основе отходов промышленных предприятий Кузбасса / В.Ф. Панова. - Новокузнецк, 2005. - 180 с.
3. Августиник, А.И. Керамика / А.И. Августиник. - Л. : Стройиздат, 1975. - 391 с.
4. Конищев, В.Н. Влияние криогенезиса на глинистые минералы / В.Н. Конищев, В.В. Рогов // Криосфера Земли. - 2008. - Т. XII. - № 1. - С. 51-58.
5. Горшков, В.С. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений / В.С. Горшков, В.Г. Савельев, Н.Ф. Федоров. - М. : Высш. шк., 1988. - 400 с.
