CC BY
8УДК 666.3
Л.И. ХУДЯКОВА, О.В. ВОЙЛОШНИКОВ, кандидаты техн. наук, Байкальский институт природопользования Сибирского отделения РАН (г. Улан-Удэ, Республика Бурятия)
Строительная керамика на основе местного сырья Республики Бурятия*
В различных регионах России наблюдается дефицит качественного глинистого сырья для получения строительных керамических изделий. В то же время в стране скопилось значительное количество отходов горнодобывающих производств, которые необходимо перерабатывать. Поэтому вопросы получения керамического кирпича на основе отходов промышленности низкой себестоимости и высокого качества являются актуальной задачей.
В настоящее время проводятся исследования по получению строительной керамики с использованием магнезиальных отходов горноперерабатывающих предприятий [1]. Магнийсиликатные породы, в частности дуниты, являясь вмещающими породами, образуют отвалы горнодобывающих предприятий. Проводятся исследования по использованию их при производстве смешанных цементов [2] и тяжелых бетонов [3].
Целью настоящей работы явилось изучение возможности использования отходов горнодобывающей промышленности в виде дунитов Йоко-Довыренского дунит-троктолит-габбрового массива, входящего в состав Северо-Байкальской рудной зоны. При разработке месторождения открытым способом дуниты представляют собой вскрышные и вмещающие породы и хранятся в отвалах. Запасы дунитов на месторождении, по данным геологоразведки, составляют миллиарды тонн. В аспекте комплексного освоения месторождений полезных ископаемых перспективным считается использование отвальных пород, имеющих низкую себестоимость. Поэтому одним из направлений использования дунитов является применение их в строительной керамике.
Основными сырьевыми материалами являлись глина карьера Тимлюйский (Республика Бурятия) и дуни-ты Йоко-Довыренского массива, химический состав которых представлен в табл. 1.
По результатам рентгенофазового анализа установлено, что дунит состоит из минералов группы оливина — оливина, форстерита, фаялита, а также незначительного количества водных силикатов магния в виде хризотила, парасепиолита и миннесотаита.
Для снижения количества основного компонента глины и интенсификации спекания массы в состав шихты вводили мелкую фракцию дунита. Дунит является малоактивной породой и для перевода его в активное состояние применяли метод механоактивации при грубом и тонком помоле. На стадии тонкого помола использовали стержневой вибрационный измельчитель типа 75Т-ДрМ. Его преимущества: большая скорость измельчения породы; возможность образования прочных структурных связей измельчаемых минералов; повышение качества полученных веществ комбинирован-
ным способом обработки материалов. При этом измельчаемая композиция остается в активном состоянии.
Исследование влияния тонины помола дунита на физико-механические свойства образцов керамики. Отмечено, что при увеличении удельной поверхности при измельчении более 280 м2/кг физико-механические свойства меняются незначительно. Поэтому данная тонина помола принята за оптимальную и в дальнейшем исследования проводились с использованием дунита, размолотого до величины удельной поверхности 280 м2/кг.
При изучении физико-химических и структурных взаимодействий дунита с глиной использован комплексный метод, включающий химический, рентгенофазовый анализ. При этом определялись фазовый состав и процессы спекания керамических материалов.
Дисперсность полученных материалов определялась на измерителе удельной поверхности ПСХ-2. Рентгенофазовый анализ проводился на порошковом автоматическом дифрактометре D8 Advance фирмы Brukeraks с соответствующим программным обеспечением со скоростью угломера 2о в минуту в интервале от 4 до 30о. Режим съемки рентгенограмм для всех проб оставался постоянным. Расшифровка производилась по справочным данным.
Для изучения зависимости механической прочности образцов от количества вводимой добавки и температуры обжига готовили образцы-кубы с размером ребра 20 мм пластическим формованием. После сушки обжигали в лабораторной электропечи с изотермической выдержкой 3 ч при различной температуре. Испытания проводили по ГОСТ 473—81 «Изделия химически стойкие и термостойкие керамические». Результаты физико-механических испытаний образцов представлены в табл. 2.
Полученные данные показывают, что количество вводимой добавки в состав шихты оказывает влияние на зависимость прочности образцов от температуры их обжига. Увеличение доли дунита до 20% положительно влияет на спекание керамической массы при температуре 950оС. При температуре 1000оС хорошие показатели имеют образцы керамики с добавкой до 40% дунита.
Так как дуниты содержат безводные силикаты магния, с увеличением количества их добавки уменьшается огневая усадка и водопоглощение образцов. Повышение температуры обжига не вызывает деформации образцов ввиду того, что в состав дунита входит до 97% оливина, температура плавления которого составляет 1890оС. В то же время происходит значительное увеличение прочности образцов, которая имеет наибольшие показатели при меньшем содержании добавки, что объясняется подплавлением глинистой составляющей, значительным накоплением стеклофазы и связыванием ею
Таблица 1
Порода SiO2 A^Oa Fe2O3+FeO MgO CaO Na2O+K2O ППП
Глина 61,8 16,15 6,84 0,88 5,58 3 4,6
Дунит 37,4 1,25 15,7 40,81 0,4 0,16 2,84
* Работа выполняется по программе ОХНМ РАН № 5.5.2 «Получение новых видов материалов с высокими эксплуатационными характеристиками из отходов горнодобывающей промышленности».
8
научно-технический и производственный журнал
декабрь 2011
jVJ ®
Таблица 3
Таблица 2
Количество добавки, мас. % Температура обжига, оС Средняя плотность, г/см2 Огневая усадка, % Водопоглощение,% Предел прочности при сжатии, МПа
10 950 1,69 4,2 8 10,8
1000 1,81 5 7,8 15,4
1050 1,89 5,8 7,1 28,4
1100 2 6,3 6,5 59,5
20 950 1,76 3,5 7,9 8,3
1000 1,84 4 7,5 13,5
1050 1,93 4,5 7,1 23,4
1100 2,12 4,9 6,5 50,6
30 950 1,83 2,6 7,6 7
1000 1,89 3 7,3 9,8
1050 1,98 3,6 7 15,7
1100 2,23 4,1 6,3 40,8
40 950 1,92 2,1 7,2 6,2
1000 1,96 2,5 7 7,5
1050 2,04 2,8 6,6 14
1100 2,28 3,5 6,1 31,4
50 950 1,96 1,7 6,9 4,8
1000 1,99 2 6 , 6 6,1
1050 2,09 2,4 6,1 8,6
1100 2,33 3 5,8 21
Количество добавки, мас. % Предел прочности при сжатии образцов керамики, МПа, при температуре, оС
900 950 1000 1050 1100 1150
10 11,5 21,4 32 46,5 68,8 71,6
20 9,2 20,8 30,5 45 59,4 66,8
30 7,9 18,9 29,2 43,3 53,3 63,3
40 6,5 17,4 26,6 36,7 47,7 59,2
50 5,1 15,5 23,9 34,4 45,5 54,9
кристаллической фазы. Образцы имеют ровный красно-коричневый цвет.
Рентгенофазовый анализ обожженных образцов с добавкой дунита показал, что в их составе присутствуют линии, принадлежащие как глине, так и дуниту, подвергнутых обжигу при соответствующей температуре. Появляются новые пики, принадлежащие гематиту ^/п 0,365 нм) и кристобалиту ^/п 0,401 нм). Кристаллические новообразования позволяют сформировать новую структуру керамического камня. Все это определяет физико-механические свойства полученных образцов, обеспечивает их высокую прочность и низкое водопоглощение.
Были проведены исследования по получению строительной керамики полусухим способом формования при давлении прессования 60 МПа. Для этого образцы-цилиндры диаметром и высотой 25 мм подвергали обжигу в лабораторной электропечи с изотермической выдержкой 3 ч при температуре от 900 до 1150оС. Полученные результаты представлены в табл. 3.
Представленные данные показывают, что при полусухом способе формования изделий с добавкой дунитов получается керамический камень хорошего качества. Прочность полученных образцов также зависит от температуры их обжига и количества добавки. Следует отметить, что при данных условиях можно получить керамические образцы высокой прочности при низкой температуре. При 900оС и количестве добавки до 30% образцы удовлетворяют требованиям ГОСТ 530—2007 «Кирпич и камень керамические. Общие технические условия» (прочность при сжатии 7,5—30 МПа).
Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о возможности получения облицовочного керамического кирпича, а также фасадной керамики на основе местных сырьевых ресурсов Республики Бурятия. Для подтверждения полученных результатов целесообразно изготовление и исследование опытных образцов в натуральную величину, а также сотрудничество с действующими промышленными предприятиями. Однако в относительной близости от месторождения кирпичных заводов нет. В перспективе освоения месторождений Северо-Байкальской рудной зоны возможно строительство кирпичного завода. Также возможна доставка данного вида сырья на кирпичные заводы Иркутской области.
Ключевые слова: строительная керамика, дуниты, температура обжига, огневая усадка, водопоглощение.
Список литературы
1. Гурьева В.А. Применение магнийсодержащего техногенного сырья в производстве декоративно-отделочной керамики // Стекло и керамика. 2009. № 3. С. 18—20.
2. Худякова Л.И., Войлошников О.В., Котова И.Ю. Отходы горнодобывающих предприятий как сырье для получения строительных материалов // Вестник ДВО РАН. 2010. № 1. С. 81-84.
3. Худякова Л.И., Войлошников О.В. Практическое использование вмещающих пород медно-никелевых месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. № 3. С. 143-145.
научно-технический и производственный журнал
декабрь 2011
9
