Ресурсосберегающая технология керамической черепицы низкотемпературного обжига с использованием легкоплавкого глинистого сырья и вулканического пепла

Аннотация

В статье представлены результаты исследований по изучению возможности применения вулканического пепла в технологии производства керамической черепицы. Рассмотрены основные послеобжиговые свойства масс на основе легкоплавкого глинистого сырья и вулканического пепла в широком интервале температур. Установлено, что массы на основе пепла имеют высокие показатели послеобжиговых свойств.

Ключевые слова: керамическая черепица, вулканический пепел, легкоплавкая глина, низкотемпературный обжиг, интервал спекания, послеобжиговые свойства.

В условиях рыночной экономики одним из важнейших факторов производства товаров строительного назначения является их конкурентоспособность. Возможность выпуска конкурентоспособной продукции неразрывно связана с внедрением современных энергои ресурсосберегающих технологий и обеспечением высокого качества строительных изделий.

Основные направления разработки ресурсосберегающих технологий заключаются в замене дефицитного и дорогостоящего сырья более дешёвыми некондиционными аналогами [1−2], а также расширении сырьевой базы за счёт вовлечения в производство отходов различных отраслей промышленности [3,4] и ранее не используемых в традиционных массах материалов [5]. Подобные технологии активно разрабатываются применительно к производству изделий строительной керамики и, в частности, керамической черепицы [6−9], которая относится к числу наиболее функциональных кровельных материалов и значительно превосходит по эксплуатационным и эстетико-потребительским свойствам многочисленные аналоги.

В данной работе исследована возможность получения керамической черепицы на основе легкоплавкого полиминерального глинистого сырья Жетмолинского месторождения с использованием в составе масс вулканического пепла.

Глина Жетмолинского месторождения, содержащая преимущественно минералы монтмориллонитовой группы типа бейделлита (30−35%), иллит (20−21%) и небольшое количество минералов каолинитовой группы.

(10−15%), относится к группе монтмориллонито-гидрослюдистого сырья и обладает высокой чувствительностью к сушке, что вызывает необходимость корректировки её технологических свойств за счёт ввода отощающих добавок.

Вулканический пепел представляет собой пирокластическую горную породу бежевого цвета сложенную лапиллями (1−40 мм) псаммитовыми (0,05−1 мм), алевритовыми (0,005−0,05 мм) и пелитовыми (<0,005 мм) частицами, состоящими из обломков вулканического стекла, кристаллов кварца, полевых шпатов, глинистых минералов и эффузивных пород. Полевошпатовая составляющая представлена альбитом и олигоклазом, глинистая — биотитом, доля аморфного кремнезёма в составе данного сырья достигает 35%. керамический черепица глинистый пепел Широкое использование вулканического пепла сдерживается из-за недостаточной его активности при спекании в условиях низкотемпературного обжига, что подтверждается работами исследователей в данном направлении [10,11]. В связи с этим значительный интерес представляет разработка технологии керамической черепицы пластического формования на основе вышеперечисленных сырьевых материалов Северного Кавказа.

Традиционно основным отощающим компонентом для производства грубой строительной керамики является кварцевый песок. В данной работе проведены исследования масс с добавлением вулканического пепла и кварцевого песка в количестве 20% (табл. 1) с целью установления их роли в процессе спекания при низкотемпературном обжиге.

При разработке составов руководствовались тем, что добавка отощителя сверх 20% существенно ухудшает технологические свойства керамических масс, так как глина Жетмолинского месторождения помимо вводимых материалов содержит в своём составе около 30% неглинистых минералов.

Введение

в массу менее 20% непластичных компонентов не позволяет эффективно снизить чувствительность к сушке высокочувствительного глинистого сырья.

Таблица № 1. Составы масс

Образцы в виде брусков размером 80Ч25Ч10 мм формовали пластическим способом из предварительно подготовленных и вылежанных масс, высушивали и обжигали при температурах 920 — 1100 ⁰С.

По результатам исследований были построены графики зависимости прочности на изгиб, водопоглощения, огневой усадки и плотности от температуры обжига (рис. 1,2).

Керамические массы, используемые при производстве черепицы, должны в процессе обжига давать плотный водонепроницаемый черепок с водопоглощением менее 10%. Согласно полученным данным, требуемые значения по водопоглощению достигаются при температурах выше 985 С для образцов состава 1 и выше 950 С — для образцов состава 2.

Рис. 1. — Зависимость прочности на изгиб и водопоглощения от температуры обжига

— водопоглощение, %.

Рис. 2. — Зависимость огневой усадки и плотности от температуры обжига

— плотность, г/см³

Из представленных рисунков видно, что с ростом температуры обжига свойства образцов состава 1 с добавкой песка изменяются неравномерно. Прочность на изгиб находится в пределах 18−20 МПа в температурном интервале 920 — 1020 С, затем снижается до 13−17 МПа, достигая минимальных значений при температуре 1090 С. Водопоглощение, снижаясь до 5,7% при температуре обжига 1085 С, с повышением температуры начинает возрастать до 6−7%. В этом же интервале температур (1085−1100 С) наблюдается резкое падение плотности и повышение открытой пористости.

Подобная неравномерность изменения свойств свидетельствует о появлении признаков пережога, которые достигают критических значений при температурах обжига выше 1085 С, что отчётливо видно на рис. 3.

У образцов состава 2 за счёт ввода в массу вулканического пепла происходит расширение температурного интервала обжига (рис. 3). Поэтому с ростом температуры прочность на изгиб и плотность непрерывно возрастают до значений 32−37 МПа и 2,33−2,41 г/см³ соответственно, водопоглощение и открытая пористость приближаются к нулю, огневая усадка при температуре 1100 С достигает 7,6%. Это свидетельствует о формировании различных структур керамического черепка при использовании вулканического пепла и кварцевого песка. Наличие в вулканическом пепле значительного количества аморфного кремнезёма и полевошпатовых составляющих позволяет увеличить интервал спекания за счёт образования расплава высокой вязкости, количество которого нарастает равномерно при повышении температуры обжига.

Рис. 3. — Внешний вид образцов составов 1 и 2, обожжённых при различных температурах

Таким образом, ввод 20% вулканического пепла в состав массы на основе легкоплавкой глины способствует снижению чувствительности глинистого сырья к сушке и обеспечивает более высокие показатели послеобжиговых свойств, соответствующие требованиям по водопоглощению и прочности на изгиб при более низких температурах.

• 1. Котляр В. Д., Лапунова К. А., Терёхина Ю. В. Перспективы производства фигурного керамического кирпича на основе опок // Инженерный вестник Дона, 2012, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/946
• 2. Наумов А. А. О возможности получения лицевого кирпича из глинистого сырья Звездинского месторождения // Инженерный вестник Дона, 2015, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3242.
• 3. Куликов В. А., Семенычев В. К., Абдрахимов В. З., Ковков И. В. Совместное использование металлургического шлака и золошлакового материала для производства керамических материалов // Башкирский химический журнал. 2010. Т. 17. № 2. С. 173−175.
• 4. Яценко Н. Д., Деева А. С., Терновский О. А. Осветлённый керамический кирпич на основе илистых отходов очистки сточных вод // Сборник научных статей по материалам IV Всероссийской научно-практической конференции «Интеграция науки и практики как механизм развития отечественных наукоемких технологий производства». Новочеркасск: ООО «Лик», 2015. С. 197−200.
• 5. Зубехин А. П., Верченко А. В., Галенко А. А. Получение керамического гранита на основе цеолитсодержащих шихт // Строительные материалы. 2014. № 4. С. 52−54.
• 6. Абдрахимова Е. С., Абдрахимов В. З. Экологические и практические аспекты использования глинистой части «хвостов» гравитации циркон-ильменитовых руд, пиритных огарков и волластонита в производстве черепицы // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2008. Т. 10. № 3. С. 923−928.
• 7. Dondi M., Guarini G., Raimondo M., Zanelli C. Recycling PC and TV waste glass in clay bricks and roof tiles. Waste Management. 2009, v. 29, pp. 1945;1951.
• 8. Reis AS, Della-Sagrillo VP, Valenzuela-Diaz FR. Analysis of dimension stone waste addition to the clayey mass used in roof tile production. Materials Research. 2015, v. 18, pp. 63−69.
• 9. Котляр В. Д., Лапунова К. А., Лазарева Я. В., Усепян И. М. Основные тенденции и перспективные виды сырья при производстве керамической черепицы // Строительные материалы, 2015, № 12. С. 28−32.
• 10. Лузин В. П., Антонов В. А., Лузина В. П., Беляев Е. В., Пермяков Е. Н., Самигуллин Р. Р. Эффективные строительные материалы с применением вулканического пепла // Строительные материалы. 2009. № 12. С. 18−19.
• 11. Антонов В. А., Лузин В. П., Беляев Е. В. Вулканогенные породы Северного Кавказа как сырьё для производства лёгких строительных материалов // Разведка и охрана недр. 2010. № 1. С. 40−45.

References

• 1. Kotlyar V.D., Lapunova K.A., Terekhina Yu.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/946
• 2. Naumov A.A. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3242.
• 3. Kulikov V.A., Semenychev V.K., Abdrakhimov V.Z., Kovkov I.V. Bashkirskiy khimicheskiy zhurnal. 2010. T. 17. № 2. pp. 173−175.
• 4. Yatsenko N.D., Deeva A.S., Ternovskiy O.A. Sbornik nauchnykh statey po materialam IV Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Integratsiya nauki i praktiki kak mekhanizm razvitiya otechestvennykh naukoemkikh tekhnologiy proizvodstva»: trudy (Proc. Collected Articles on Materials of IV All-Russian Scientific-practical Symp. «Integration of science and practice as a mechanism for the development of domestic high-tech production technologies»). Novocherkassk, 2015, pp. 197−200.
• 5. Zubekhin A.P., Verchenko A.V., Galenko A.A. Stroitel’nye materialy. 2014. № 4. pp. 52−54.
• 6. Abdrakhimova E.S., Abdrakhimov V.Z. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk. 2008. T. 10. № 3. pp. 923−928.
• 7. Dondi M., Guarini G., Raimondo M., Zanelli C. Waste Management. 2009, v. 29, pp. 1945;1951.
• 8. Reis AS, Della-Sagrillo VP, Valenzuela-Diaz FR. Materials Research. 2015, v. 18, pp. 63−69.
• 9. Kotlyar V.D., Lapunova K.A., Lazareva Ya.V., Usepyan I.M. Stroitel’nye materialy, 2015, № 12. pp. 28−32.
• 10. Luzin V.P., Antonov V.A., Luzina V.P., Belyaev E.V., Permyakov E.N., Samigullin R.R. Stroitel’nye materialy. 2009. № 12. pp. 18−19.
• 11. Antonov V.A., Luzin V.P., Belyaev E.V. Razvedka i okhrana nedr. 2010. № 1. pp. 40−45.