Изучение и оценка возможности использования отходов гидроабразивной резки стали для изготовления строительной керамики

Изучение и оценка возможности использования отходов гидроабразивной резки стали для изготовления строительной керамики

Н.А. Кропотухина, К.С. Сосницкая, А.С. Сиско, А.Ю. Бибикова Сибирский федеральный университет, Красноярск

Аннотация: В статье исследуются отходы гидроабразивной резки стали. Выполнено комплексное исследование отходов гидроабразивной резки: определены средняя и насыпная плотность, гранулометрический состав, химический состав. Установлено, что отходы гидроабразивной резки металлов представляют собой очень тонкие тяжелые пески.

Ключевые слова: гидроабразивная резка, термическое сопротивление, прочность частей конструкции, строительная керамика, предельные состояния, строительство.

Предмет исследования: в данной работе исследовались состав, структура и свойства отходов гидроабразивной резки стали и их поведение в составе керамических масс.

Цели: изучение и оценка возможности использования отходов гидроабразивной резки в качестве полифункциональной добавки для производства строительной керамики.

Материалы и методы: исследованы свойства и гранулометрический состав исходного гранатового абразива и образующихся отходов согласно ГОСТ 8735-88. Проведено электронномикроскопическое исследование различных фракций отходов на растровом электронном микроскопе FEIQUANT, определен элементный и химический состав на спектрометре ARL Optim'X. Изготовлены и испытаны образцы-кубики с ребром 5 и 4 см с использованием глинистого сырья с технологических линий предприятий ОАО «Лосиноостровский завод строительных материалов и конструкций» и ОАО «Голицынский керамический завод» с различным соотношением глины и отходов.

Результаты: Определены средняя и насыпная плотность, гранулометрический состав, химический состав. Установлено, что отходы гидроабразивной резки металлов представляют собой очень тонкие

тяжелые пески. Прочность керамических образцов (глина: отходы = 1:1

°

по массе) после обжига при 900 С составила 13,47 МПа, что соответствует марке М125, а водопоглощение образцов составило 11,6%. Установлена закономерность изменения цвета образцов в зависимости от содержания отходов в составе массы.

Выводы: Предварительные исследования позволяют сделать вывод об использование отходов керамики, в частности, как отощающей добавки, флюса (плавня), красителя для керамической черепицы. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Ознакомление с литературой по использованию отходов не дает достаточной информации по утилизации отходов гидроабразивной резки, что может быть связано с отсутствием интереса к отходам, образующимся в небольших количествах, а также с относительной новизной технологии гидроабразивной резки. Считаем, что наряду с так называемыми многотоннажными отходами промышленности, отходы, образующиеся в умеренных количествах, также могут заполнить нишу ресурсного дефицита в производстве того или иного материала. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве абразива используется гранатовый песок, по минеральному составу состоящий преимущественно из альмандина Ре3А12(8Ю4)3. Альмандин - железисто-алюминиевый гранат вишнёво-

красного цвета с высокой твёрдостью - 7^8 по шкале Мооса, высокой

3

плотностью - 4,1...4,3 г/см . Спайность альмандина несовершенна, обладает магнитными свойствами и парамагнитной вращательной силой. Альмандин обладает высокой устойчивостью к разрушению, отсутствием токсичности по отношению к человеку и окружающей среде. Большая часть гранатового абразива производится в Индии, Австралии, ЮАР и Китае. Кроме альмандина в минеральном составе

представлены пироп

Таблица 1

Альма Пироп Ильме К

88,9 6,8 2,8 1,5

Модуль крупности равен 1,75, пылевидных и глинистых частиц не обнаружено. [1] Исследования абразива проходили согласно ГОСТ 873588 «Песок для строительных работ. Методы испытаний». Согласно ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия» абразив можно характеризовать как обогащённый мелкий песок I класса.

Таблица 2 Химический состав по результатам РФА абразива и

отходов

Химический состав Химический состав отходов

Ок Содержание, % Оксид Содержание,

БЮ? 35,01 БЮЗ 31,02

Fe 28,91 Fe?03 35,07

А1 20,22 А1203 17,22

ТЮ2 8,54 ТЮЗ 7,62

MgO 5,14 Mg0 6,74

CaO 1,31 Ca0 1,32

Про 0,87 Прочее 1,01

Исследование сухой части отходов (проводилось согласно ГОСТ

8735-88) дало следующие результаты: истинная плотность - 3,7 г/см3,

насыпная плотность - 2,2 г/см3. По сравнению с исходным абразивом резко меняется гранулометрический состав: практически исчезает остаток на сите 0,315 мм, что говорит о разрушении частиц исходного абразива. Появляется большое количество мельчайших частиц. Модуль

крупности равен 0,88. [2] Изменения в гранулометрическом составе показаны в таблице 3. Таблица 3 Сравнение гранулометрического состава исходного абразива и отходов гидроабразивной резки

Размеры отверстий сит, ммх) Гранатовый абразив Отходы гидроабразивной резки

Остатки частные, Остатки полные, % Остатки частные, % Остатки полные, %

0,315 75,6 75,6 1,6 1,6

0,16 24 99,6 70,5 72,1

Менее 0,16 0,3 99,9 27,1 99,2

Всего 99,9 99,2

Остатки на ситах от 0,63 до 5 мм отсутствуют.

Микроскопическое исследование, выполненное на растровом электронном микроскопе БЕ^ИАКТА, показало, что частицы размерами от 0,16 до 0,315 мм представлены претерпевшим разрушение гранатовым песком. Комплексное исследование состава и свойств отходов гидроабразивной резки стали показало, что они представляют собой тонкие тяжёлые пески с высоким содержанием пылевидной фракции, в химическом составе которых, преобладают оксиды железа, кремния и алюминия. Такая характеристика отходов позволила наметить возможные пути их использования. В соответствии с Федеральным классификационным каталогом отходов (ФККО 2017) отходы песка при гидроабразивной резке черных и цветных металлов относятся к V классу опасности, то есть практически неопасным. По механизму образования и составу данные отходы соответствуют минеральным отходам и попутным продуктам, не утратившим природных свойств, сохраняющим химический

и минеральный состав соответствующих горных пород и природных минералов, и, соответственно, можно опираться на соответствующие рекомендации по их подготовке и использованию [3] РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для исследования поведения отходов при обжиге в составе керамической массы были изготовлены образцы-кубики с ребром 5 см. Использовалось кислое легкоплавкое (показатель огнеупорности Т = 1281°С) полиминеральное глинистое сырьё с технологической линии ОАО "Лосиноостровский завод строительных материалов и конструкций" следующего минерального состава [4]: кварц - 49%, монтмориллонит -25%, гидрослюда - 7%, микроклин - 5%, каолинит - 3%, гематит - 2%, анортит - 1%, аморфная фаза - 8%. Химический состав глинистого сырья: А1203-14,85%, БЮ2 - 65,08%, Fe203- 11,65%, К20 - 3,45%, Mg0 -

I,98%, ТЮ2 - 1,51%, Ca0 - 1,24%, Мп02 -0,24%. Плотность глинистого

сырья составила 2,3 г/см3. По пластичности глинистое сырьё относится к группе умеренно пластичных глин, а по чувствительности к сушке характеризуется как высокочувствительное с П = 86 сек. По температуре и степени спекания сырьё относится к группе среднетемпературного спекания и неспекающегося глинистого сырья соответственно.

После обжига не наблюдались деформации образцов, аномалии цвета. Образцы имели трещины, причина которых, как мы считаем, в

агрессивности режима сушки для данного глинистого сырья. Средняя

3

плотность образцов после обжига составила 2,4 г/см , водопоглощение -

II,6%, предел прочности при сжатии - 13,47 МПа, что соответствует марке 125. Цвет образцов - красный.

Известно, что альмандин при температуре выше 900°С разлагается с образованием ферро-магнитного королька из герцинита, железистого

кордиерита и фаялита [8]. Этот возможный процесс при формировании керамического черепка требует дополнительного исследования. Для исследования поведения отходов при температуре обжига выше 900°С в составе керамической массы были изготовлены образцы-кубики с ребром 4 см. Использовалось кислое легкоплавкое глинистое сырьё с технологической линии ОАО " Голицынский Керамический Завод". Пробные составы керамических масс: 20% глины и 80% отходов, 40% глины и 60% отходов, 65% глины и 35% отходов, а также чистое глинистое сырьё (100% глины). Водотвёрдое отношение для всех составов с отходами составило 18%. Водотвёрдое отношение для чистого глинистого сырья, необходимого для достижения нижнего предела пластичности, составило 25%. После обжига у образцов, в составе которых были отходы, не наблюдалось деформаций, трещин, признаков пережога и аномалий цвета. Стоит отметить, что цвет образцов менялся от светло-красного при отсутствии отходов в составе массы до красно-коричневого цвета при максимальном содержании отходов в массе. ВЫВОДЫ

Предварительные исследования позволяют сделать выводы о том, что при детальном исследовании в перспективе можно апробировать отходы гидроабразивной резки, как полифункциональной добавки: отощающей добавки, флюса (плавня), пигмента, который дает темно-коричневый оттенок ввиду оксида железа.

Литература

1. Zhang Ai-hui, Jin Wei-liang, Li Gui-bing. Behavior of preloaded RC beams strengthened with CFRP laminates // Journal of Zhejiang University-SCIENCE A. 2006. Vol. 7, №3. pp. 436-444.

2. J. B. Mander; M. J. N. Priestley; and R. Park, Fellow, ASCE. Theoretical StressStrain Model for Confined Concrete // Journal of Structural Engineering. Vol. 114, №8. 1988. URL: doi.org/10.1061/

3. Маилян Д.Р., Польской П.П., Мерват Х., Кургин К.В. О прочности балок из тяжелого бетона при использовании стальной, углепластиковой и комбинированной арматуры, расположенной в два ряда // Инженерный вестник Дона, 2013, №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2096

4. Маилян Д.Р., Польской П.П., Мерват Х., Кургин К.В. О деформативности изгибаемых элементов из тяжелого бетона при двухрядном расположении углепластиковой и комбинированной арматуры // Инженерный вестник Дона, 2013, №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2094

5. Сканави Н. А., Довыденко Т. А. Отходы гидроабразивной резки металлов как перспективный компонент сырьевых строительных смесей // Научное обозрение. 2017. №19. С. 28-31.

6. Skanavi Nataliya, Dovydenko Timofey Assessment of possibility of metal waterjet cutting wastes use in building materials production // RSP 2017 - XXVI R-S-P Seminar 2017 Theoretical Founda- tion of Civil Engineering, 2017 - 000417

7. П. И. Боженов Комплексное использование минерального сырья и экология/: Изд-во Ассоц. строит. вузов, 1994. - 265 с.

8. Землянушнов Д. Ю., Орешкин Д. В., Сканави Н. А. Методика экологической оценки применения отходов мрамора в производстве строительной керамики // Научное обозрение. 2014.№7. С. 661-664

9. Минералы. Диаграммы фазовых равновесий. Вып. 1. / под ред. Чухрова Ф. В., Островского И. А., Лапина В. В. - М.: Изд-во «Наука», 1974. - С. 139142.

10.Польской П.П., Маилян Д.Р. Об уточнении расчетов прогибов балок, усиленных композитными материалами // Научное обозрение. 2014. № 12. С. 493.

References

1. Zhang Ai-hui, Jin Wei-liang, Li Gui-bing. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A. 2006. Vol. 7. №3. pp. 436-444.

2. J. B. Mander; M. J. N. Priestley; and R. Park, Fellow, ASCE. Journal of Structural Engineering. Vol. 114. №8. 1988. URL: doi.org 10.1061

3. Mailjan D.R., Pol'skoj P.P., Mervat H., Kurgin K.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2096

4. Mailjan D.R., Pol'skoj P.P., Mervat H., Kurgin K.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2094

5. Skanavi N. A., Dovydenko T. A. Nauchnoe obozrenie. 2017. №19. p. 28-31.

6. Skanavi Nataliya, Dovydenko Timofey R S Seminar 2017 Theoretical Foundationof Civil Engineering, 2017 000417

7. P. I. Bozhenov Kompleksnoe ispol'zovanie mineral'nogo syr'ja i jekologija [Complex use of mineral raw materials and ecology]: Izd-vo Assoc. stroit. vuzov, 1994. 265 p.

8. Zemljanushnov D. Ju., Oreshkin D. V., Skanavi N. A. Nauchnoe obozrenie. 2014.№7. pp. 661-664

9. Mineraly. Diagrammy fazovyh ravnovesij [Minerals Phase Equilibrium Diagrams]. Vyp. 1. Pod red. Chuhrova F. V., Ostrovskogo I. A., Lapina V. V. M.: Izd-vo «Nauka», 1974. p. 139-142.

10. Pol'skoj P.P., Mailjan D.R. Nauchnoe obozrenie. 2014. № 12. p. 493.