Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

МАТЕРИАЛЫ АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОГЕННОГО АЛЮМОСИЛИКАТНОГО СЫРЬЯ

Алфимова Н.И. 1 Шаповалов Н.Н. 1
1 ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
Одним из способов повышения качества силикатных материалов автоклавного твердения является увеличение удельной поверхности компонентов сырьевой смеси. Однако данная операция является неоправданной с позиции энергозатрат, в связи с чем актуальным становится использование компонентов, изначально имеющих высокую удельную поверхность, таких как отходы производства керамзитового гравия. Исследуемые отходы – это алюмосиликатные техногенные образования, которые представлены двумя видами тонкодисперсного сырья с различной термической историей. Первый вид осаждается на электрофильтрах на стадии сушки гранул при температуре 400–500 °С, второй образуется на стадии сортировки керамзитового гравия после обжига при температуре 1130–1200 °С. В ходе исследований установлено, что частичная замена кварцевого песка на отходы производства керамзита способствует образование прочных сростков из микро- и субмикрокристаллических гидросиликатов кальция, имеющих высокую дисперсность и большую поверхность соприкосновения, обеспечивающих хорошую адгезию к зернам заполнителя. Все это способствует увеличению прочности силикатного кирпича в 1,5–2 раза в сравнении с изделиями, полученными по традиционной рецептуре.
силикатный кирпич
автоклавная обработка
керамзит
техногенное сырье
алюмосиликатное сырье
1. Алфимова Н.И., Черкасов В.С. Перспективы использования отходов производства керамзита в строительном материаловедении // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2010. – № 3. – С. 21–24.
2. Бажитов С.В. Конкуренция между кирпичным строительством и новыми видами строительных технологий // Строительные материалы. – 2008. – № 11. – С. 62–63.
3. Баринова Л.С. Куприянов Л.И., Миронов В.В. Силикатный кирпич в России: современное состояние и перспективы развития // Строительные материалы. – 2008. – № 11. – С. 4–9.
4. Володченко А.Н., Жуков Р.В., Алфимов С.И. Силикатные материалы на основе вскрышных пород Архангельской алмазоносной провинции // Известия вузов. Технические науки. – 2006. – № 3. – С. 67–70.
5. Воронин В.П., Заровнятных В.А., Шикирянский А.М. Эффективный силикатный кирпич на основе золы ТЭС и порошкообразной извести // Строительные материалы. – 2008. – № 8. – С 24–25.
6. Миронова А.С. Техногенное сырье в производстве стеновых и отделочных материалов // Строительные материалы. – 2010. – № 2. С. – 62–63.
7. Понамарев И.Г. Российский рынок силикатного кирпича // Строительные материалы. – 2009. – № 9. – С. 4–11.
8. Попутные продукты горнодобывающей промышленности в производстве строительных материалов / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик, С.И. Алфимов, Р.В. Жуков // Современные наукоемкие технологии. – 2005. – № 10. – С. 79–79.
9. Силикатный бетон на нетрадиционном сырье / А.Н. Володченко, Р.В. Жуков, Ю.В. Фоменко, С.И. Алфимов // Бетон и железобетон. – 2006. – № 6. – С. 16–18.
10. Семенов А.А. Анализ состояния российского рынка силикатного кирпича // Строительные материалы. – 2010. – № 9. – С. 4–5.
11. Семенов А.А. Состояние российского рынка керамзита // Строительные материалы. – 2010. – № 8. – С. 4–5.
12. Техногенное сырье для силикатных материалов гидратационного твердения / С.И. Алфимов, Р.В. Жуков, А.Н. Володченко, Д.В. Юрчук // Современные наукоемкие технологии. – 2006. – № 2. – С. 59–60.

Keywords: sand-lime brick, autoclave processing, clayite, technogenic raw materials, aluminosilicate raw materials

Одним из приоритетных направлений программы улучшения качества жизни населения является жилищное строительство, и, в частности, возведение индивидуального жилья. За последние годы общий ввод жилья увеличился в 1,4 раза, ввод индивидуальных жилых домов – в 2 раза. В связи с этим испытывается острая потребность в качественных и недорогих мелкоштучных материалах.

Силикатный кирпич в настоящее время по востребованности занимают третье место среди мелкоштучных стеновых материалов [2, 7, 10]. Согласно ближайшим прогнозам [3, 7], он не только сохранит в будущем свою рыночную нишу, но его производство получит дальнейшее развитие на современном технологическом уровне.

Производство силикатных материалов во всем мире базируется на традиционной технологии, а в качестве основного компонента используется кварцевый песок, что затрудняет возможность получения высокопустотных изделий вследствие низкой прочности сырца и неоптимальной структурой матрицы. Решить эту проблему можно путем перехода на новые технологии и внедрения различных решений.

Одним из способов позволяющих повысить качество выпускаемой продукции, является увеличение удельной поверхности компонентов сырьевой смеси, что способствует повышению формуемости и прочности сырца, интенсификации автоклавной обработки и ускорению образования гидросиликатов кальция. Однако дополнительный помол компонентов известково-кремнеземистой смеси ведет к росту энергетических затрат и отрицательно сказывается на себестоимости изделия.

В настоящее время рассмотрена возможность использования в качестве компонента сырьевой смеси не только природного, но и техногенного сырья, такого как шлаки, золы ТЭЦ [5, 6], вскрышных пород горнодобывающей промышленности [4, 8] и т.д. [9, 12 и др.], которые изначально имеют высокую удельную поверхность и не требуют дополнительных затрат на помол. Применение такого сырья позволяет расширить сырьевую базу и снизить себестоимость производства силикатных строительных материалов, а также улучшить физико-механические характеристик конечного изделия.

Нами была рассмотрена возможность применения отходов керамзитового гравия в качестве сырья для изготовления силикатного кирпича. В настоящее время по объемам потребления керамзитовый гравий занимает первое место среди легких заполнителей, его производство распространено по всей территории Российской Федерации [11].

Исследуемые отходы – это алюмосиликатные техногенные образования, которые представлены двумя видами тонкодис­персного сырья с различной термической историей. Первый вид образуется на стадии сушки гранул (пыль, осаждающаяся на электрофильтрах (КПэ)) при температуре 400–500 °С, второй – на стадии сортировки керамзитового (КПс) гравия после обжига при температуре 1130–1200 °С.

С целью рассмотрения возможности использования керамзитовой пыли в качестве компонента формовочной смеси для изготовления мелкоштучных прессованных материалов автоклавного твердения, а также выявления влияния высокотемпературного воздействия на изменение состава и свойств алюмосиликатного сырья, был проведен комплексный анализ отходов и исходной породы, используемой для производства керамзитового гравия [1]. Полученные результаты позволили выявить особенности фазово-структурного состояния исследуемого сырья в ряду термической истории «глина → керамзитовая пыль с электрофильтров → керамзитовая пыль с сортировки», заключающиеся в последовательной деструкции слоистых алюмосиликатов. Отходы производства керамзита с электрофильтров, образующиеся при температуре 400–500 °С, представлены фазами незавершенной стадии минералообразования и являются техногенными аналогами природных глинистых сланцев. Отходы производства керамзита, образующиеся на стадии сортировки керамзитового гравия, обожженного при температуре 1130–1200 °С, по своему минеральному и структурному состоянию соответствуют природным эффузивно-пирокластическим алюмосиликатным горным породам и представлены стеклофазой.

На основе установленных данных была сформулирована рабочая гипотеза исследований, заключающаяся в возможности улучшения физико-механических показателей силикатного кирпича за счет введения в состав сырьевой смеси керамзитовой пыли. При этом были выдвинуты предположения, что наибольший эффект будет достигаться при использовании того алюмосиликатного сырья, в составе которого преобладают фазы незавершенной стадии структурообразования.

Разработка составов силикатных материалов производилась путем определения необходимого количества извести, керамзитовой пыли, а также длительности и давления при изотермической выдержке в автоклаве с помощью метода математического планирования эксперимента (таблица).

Условия планирования эксперимента

Фактор

Уровень варьирования

Интервал варьирования

Натуральный вид

Код. вид

–1

0

+ 1

Содержание керамзитовой пыли, % от песка

Х1

5

15

25

10

Длительность изотермической выдержки, ч

Х2

2

4

6

3

Давление автоклавирования, атм.

Х3

6

8

10

2

Содержание СаОакт, мас. %

Х4

4

6

8

2

После статистической компьютерной обработки экспериментальных данных были получены зависимости физико-механических характеристик от варьируемых факторов (рис. 1).

Анализ полученных результатов показал, что использование отходов производства керамзита взамен части песка позволяет получить изделия с более высокими физико-механическими характеристиками по сравнению с изделиями, полученными по традиционной рецептуре и технологии. Известково-песчаные (контрольные) образцы с содержанием 8 мас. % СаОакт и запаренные при 10 атм. с длительностью изотермической выдержки 6 ч показали прочность при сжатии 16 МПа. Введение отходов производства керамзита способствовало увеличению прочности до 100 %. Так, например, замена песка на 15 % пыли с электрофильтров позволяет достичь прочности 23 МПа (см. рис. 1, 1; б), на 25 % – 32 МПа (см. рис. 1, 1; в), а при использовании пыли с сортировки – 21 и 25 МПа соответственно (см. рис. 1, 2; б, в). При этом указанные значения были достигнуты при сокращенных параметрах автоклавной обработки.

                     1                                         2

аpic_1.wmf pic_2.wmf

бpic_3.wmf pic_4.wmf

вpic_5.wmf pic_6.wmf

––– СаОакт – 4 %; ––– СаОакт – 6 %; ––– СаОакт – 8 %

Рис. 1. Номограммы зависимости прочности при сжатии силикатных изделий от вида (1 – КПэ; 2 – КПс), содержания керамзитовой пыли (а – 5 %; б – 15 %; в – 25 %), содержания СаОакт, длительности изотермической выдержки и давления при автоклавировании

Исследование характера новообразований с помощью термического анализа показало, что цементирующие соединения в образцах с добавлением отходов производства керамзита так же, как и в известково-песчаных (контрольных) образцах, представлены низкоосновными гидросиликатами кальция CSH(B). На кривой ДТГ во всех образцах присутствует пик при температуре 440–460 °С, соответствующий дегидратации гидроксида кальция. Однако в образцах с 25 %-м содержанием отходов производства керамзита площадь пика уменьшается, что объясняется более полным связыванием извести за счет большей активности керамзитовой пыли в сравнении с кварцевым песком.

При программном разложении профиля ИК-поглощения в интервале волновых чисел 800–1300 см–1 на элементарные спектральные профили волновые числа максимумов были соотнесены с литературными источниками. На волновом плече профиля поглощения образцов с керамзитовой пылью с электрофильтров были обнаружены полосы, соответствующие кремнекислородным слоям, цепям диортогрупп и изолированным кремнекислородным тетраэдрам. Учитывая тот факт, что высокоосновные гидросиликаты кальция представляют из себя в основном островные силикаты, обнаруженные полосы поглощения кремнекислородных тетраэдров с безмостиковой и/или с одной связью логично могут быть отнесены к структурному мотиву высокоосновных гидросиликатов кальция, в частности, α-С2SH. Это свидетельствует о том, что частичная замена песка на алюмосиликатное сырье, представленное незавершенными фазами структурообразования, способствует формированию полиминеральной системы с новообразованиями различной основности.

Анализ характера новообразований, выполненный с помощью РЭМ-изображений, показал, что в образцах контрольного состава после автоклавирования по традиционному режиму (2 + 6 + 2, давление 10 атм.) основная масса сложена дощатыми и пластинчатыми новообразованиями, образующими сростки (рис. 2, а). Исходя из формы и морфологии формирующихся кристаллов, их можно отнести к микрокристаллическим низкоосновным гидросиликатам кальция тоберморитовой группы. В образцах с использованием отходов производства керамзита, прошедших автоклавирование при давлении 6 атм., наблюдается уменьшение размера новообразований (рис. 2, б, в), это можно объяснить высокой дисперсностью керамзитовой пыли, обусловливающей ее бóльшую реакционную способность при автоклавировании (значительно увеличивается растворимость силикатной и алюминатной частей, а также скорость протекающих реакций).

а pic_7.tif б pic_8.tif в pic_9.tif

Рис. 2. Микроструктура новообразований силикатных образцов:а – контрольный состав; б – состав с 25 % КПэ; в– состав с 25 % КПэ

Таким образом, при применении керамзитовой пыли при производстве силикатных автоклавных материалов в конечных изделиях формируется плотная матрица, созданию которой способствует образование прочных сростков из микро- и субмикрокристаллических гидросиликатов кальция, имеющих высокую дисперсность и большую поверхность соприкосновения, обеспечивающих хорошую адгезию к зернам заполнителя. Все это способствует увеличению прочности силикатных изделий в 1,5–2 раза в сравнении с изделиями, полученными по традиционной рецептуре.

Работа выполнена в рамках реализации Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 гг.

Рецензенты:

Логанина В.И., д.т.н., профессор кафедры «Стандартизация, сертификация и аудит качества», ФГБОУ ВПО ПГАСУ, г. Пенза;

Евтушенко Е.И., д.т.н., профессор, проректор по научной работе ФГБОУ ВПО БГТУ им. В.Г. Шухова, г. Белгород.

Работа поступила в редакцию 16.04.2013.


Библиографическая ссылка

Алфимова Н.И., Шаповалов Н.Н. МАТЕРИАЛЫ АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОГЕННОГО АЛЮМОСИЛИКАТНОГО СЫРЬЯ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6-3. – С. 525-529;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31540 (дата обращения: 13.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074