Повышение качества керамического кирпича с применением основных сталеплавильных шлаков

УДК 666.71/72

А.П. ЗУБЕХИН, д-р техн. наук, И.Г. ДОВЖЕНКО, инженер, Южно-Российский государственный технический университет

Повышение качества керамического кирпича с применением основных сталеплавильных шлаков

В настоящее время в условиях рыночной экономики наблюдается высокий спрос на рядовой и лицевой керамический кирпич. Это обусловлено реализацией в различных регионах страны национального проекта «Доступное и комфортное жилье — гражданам России», строительством олимпийских объектов в г. Сочи и модернизацией промышленности. Как известно, важнейшим фактором эффективности экономики является выпуск конкурентоспособной продукции, обладающей высокими физико-механическими, эксплуатационными и эстетико-потребительскими свойствами.

Сравнительно малые запасы высококачественных глин обусловливают необходимость применять ресурсосберегающие технологии производства керамического кирпича, в частности за счет использования местного низкосортного глинистого сырья и промышленных отходов.

В последнее время в различных опубликованных источниках [1—4] приводятся сведения о перспективах использования вторичного сырья (отходов различных отраслей промышленности) в производстве строительных материалов. Данное направление, называемое ре-циклингом, стало актуальным вследствие ежегодного увеличения количества образующихся на различных предприятиях отходов, которые зачастую вывозятся на специальные полигоны, занимая огромные площади и ухудшая состояние окружающей среды. Преимущество рециклинга состоит в том, что при возвращении отходов в производственный цикл снижается материалоемкость производства, повышается его рентабельность, устраняется отрицательное экологическое воздействие на окружающую среду при долговременном хранении. Это позволяет создавать ресурсосберегающие технологии, являющиеся важнейшим условием повышения конкурентоспособности выпускаемой продукции.

Целью работы явилось повышение качества керамического кирпича на базе низкосортного глинистого сырья с применением вторичных сырьевых материалов электрометаллургического производства (сталеплавильных шлаков).

При проведении исследований в качестве пластичных материалов использовались легкоплавкие кислые суглинки Маркинского месторождения с пластичностью 11,3 и Октябрьского месторождения с пластичностью 15,8 (Ростовская обл.). В качестве непластичных материалов в керамических массах применялись глинистый сланец, горелая порода, зола ТЭЦ, сталеплавильные шлаки (СШ), получаемые на различных переделах электрометаллургического производства (СШ-1 и СШ-2). Химический состав используемых компонентов керамических масс приведен в табл. 1. Для изучения свойств керамического кирпича образцы изготавливали из масс, шихтовые составы которых приведены в табл. 2.

Перед формованием производилась подготовка компонентов, включающая помол гранулированного шлака СШ-1 и просеивание через сито № 09. Гранулометрический состав шлака СШ-2 представлен преобладающей фракцией с размером зерен менее 1 мм, вследствие

чего отсутствует необходимость его измельчения. Керамические образцы формовали пластическим способом с влажностью 20% и 23%. Отформованные образцы сначала высушивали при комнатной температуре, а затем в сушильном шкафу при температуре 100±5оС. Обжиг керамических образцов проводили в муфельной печи при температуре 1000оС с изотермической выдержкой в течение одного часа. Физико-механические и эксплуатационные свойства обожженных образцов определяли по стандартным методикам [5]. Определение предела прочности при сжатии проводили на образцах-кубах со стороной 35 мм, предела прочности при изгибе — на балочках 20x20x80 мм; усадку, среднюю плотность, водопоглощение и морозостойкость определяли на образцах-плитках 60x30x14 мм. Результаты исследования приведены в табл. 3.

Из приведенных данных видно, что водопоглощение всех образцов находится в пределах 13—19%, что соответствует требованиям ГОСТ 530—2007 «Кирпич и камни керамические. Общие технические условия». По мере увеличения содержания шлаков в шихте происходит снижение показателя воздушной усадки образцов. Вместе с этим отмечается повышение огневой усадки (до 2,1%) и средней плотности образцов. По мере увеличения процентного содержания СШ-1, СШ-2 в керамических массах отмечается повышение морозостойкости образцов (на 12—17 циклов) по сравнению с образцами базовых составов № 1.0 и № 2.0.

Анализ зависимостей пределов прочности керамических образцов при сжатии и изгибе от содержания шлака (рисунок) позволили установить следующее.

Наибольшую прочность как при сжатии, так и при изгибе имеют образцы на основе керамических масс, содержащих в качестве компонента шлак СШ-2. Причем максимальное значение прочности имеют образцы составов № 1.5 и 1.6, полученные на основе

а 50

° Е 40

5 1 1 н 30

1= л

^ *

си о я ^ 20

с 10

и П П П

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

№ состава

"Е

^ *

си о Я 5

1,6 1,2 0,8 0,4 0

а

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

№ состава

Зависимости предела прочности на сжатие (а) и на изгиб (б) для составов: Щ] - базовые; ^ - на основе СШ-1; ^ - на основе СШ-2

б

Г; научно-технический и производственный журнал

^  апрель 2011 57~

Таблица 1

Наименование компонента Содержание, мас. %

SiO2 Fe2O3 А1А ТЮ2 СаО МдО Na2O К2О SO3 РА МпО ППП 2

Суглинки: Маркинский Октябрьский 57,19 58,58 5,32 4,42 11,75 12,35 0,68 0,66 9,26 8,48 1,94 1,94 0,7 1,33 0,48 2,11 1,21 0,21 0, 0, 33 0,14 0,01 11,2 10,14 100 100,36

Шлаки: СШ-1 СШ-2 18,8 40,48 11,73 4,43 0,6 1 1,14 0,94 36,4 44,8 26,56 3,8 0,7 0,61 - - - 2,32 1,7 3,7 99,95 99,76

Глинистый сланец 55,87 8,62 21,53 1,01 1,88 2,88 0,4 0,74 0, 2 0,23 0,38 6,26 100

Зола ТЭЦ 37,77 8,4 15,21 0,38 2,6 1,46 0,68 2,73 0,54 0,23 - 30 100

Горелая порода 58,23 6,22 23 1,24 0,6 2,6 1,86 4,35 1,39 - - 0,51 100

Таблица 2

Наименование компонента Содержание компонента для составов, %

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Суглинки: Маркинский (1); Октябрьский (2) 75 85 80 75 85 80 75 60 85 80 75 85 80 75

СШ-1 - 15 20 25 - - - - 15 20 25 - - -

СШ-2 - - - - 15 20 25 - - - - 15 20 25

Глинистый сланец 25 - - - - - - - - - - - - -

Зола ТЭЦ - - - - - - - 20 - - - - - -

Горелая порода - - - - - - - 20 - - - - - -

Таблица 3

Наименование Показатели свойств составов

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Водопоглощение, % 15 13 14 17 16 16 16 19 15 15 16 16 17 17

Усадка, %: воздушная огневая общая 6 1,4 7,4 5,7 1,5 7,2 5,3 1,3 6,6 5 1,1 6,1 4,1 1,9 6 см СО 1-0 ^ см СО 1-0 6,3 1,2 7,5 5,9 1,4 7,3 5,6 1,2 6,8 5.4 1,1 6.5 4.6 2,1 6.7 3,9 2,1 6 3.6 2,1 5.7

Средняя плотность, г/м3 1840 1862 1877 1893 1776 1803 1825 1565 1752 1765 1780 1678 1700 1720

Предел прочности, МПа: при сжатии при изгибе 33,7 0,4 34,5 0,5 39,1 0,6 36,3 0,6 42,2 1,2 45,3 1,3 47 1,3 16,1 0,5 17,7 0,5 19,5 0,6 18,1 0,5 20,6 0,8 22,3 1 24,2 1,1

Морозостойкость, цикл 30 40 42 30 45 47 47 28 36 40 32 43 45 45

маркинского суглинка с содержанием шлака СШ-2 20% и 25% и характеризующиеся повышенной морозостойкостью (47 циклов). Пределы прочности при сжатии и изгибе образцов на основе октябрьского суглинка (рис. 1) значительно ниже, чем у образцов на основе маркинского суглинка. Образцы, содержащие шлак СШ-1, имеют предел прочности при сжатии и изгибе значительно ниже как на основе октябрьского, так и маркинского суглинков. Причем значения предела прочности образцов на основе октябрьского суглинка почти в 2 раза ниже, чем соответствующие показатели на основе маркинского суглинка.

Таким образом, применение шлака СШ-2 в качестве компонента в количестве 20—25% улучшает все после-обжиговые свойства керамического кирпича на основе октябрьского суглинка, а особенно маркинского.

Кроме того, введение СШ-2 в керамическую массу способствует осветление черепка, изменяя его цвет с красного на желтый и бежевый при использовании мар-кинского и октябрьского суглинков соответственно. Как

установлено А.П. Зубехиным с соавторами [6], красный цвет кирпича в базовом образце, как и в других образцах, не содержащих шлака СШ-2, обусловлен повышенным содержанием Fe2Oз — в пределах от 4,42 до 6,15%. В этом случае железо находится в кирпиче в виде самостоятельной фазы гематита а^е2О3, коэффициент отражения которого составляет 6,5% по МС-20, что и предопределяет его окраску от красного до красно-коричневого цвета. Химический состав образцов керамических масс № 1.6 и 2.6 характеризуется более высоким содержанием СаО (около 18%), а также повышенным количеством щелочных оксидов (табл. 4). Это приводит к существенным изменениям в фазовом составе и кристаллохимиче-ским превращениям в структуре черепка.

Установлено [7], что при наличии повышенного содержания СаО и щелочных оксидов увеличивается количество жидкой фазы в процессе спекания керамики, что приводит к изменению фазового состава железосодержащих фаз, а также к образованию твердых растворов некоторых алюмосиликатных фаз с ионами Fe3+.

58

научно-технический и производственный журнал

апрель 2011

Таблица 4

Наименование керамической массы Содержание, мас. %

SiO2 Fe2O3 AlA TiO2 CaO MgO Na2O K2O SO3 PA MnO ППП Z

1.0 56,86 6,15 14,2 0,76 7,42 2,18 0,63 0,55 0,96 0,16 0,2 9,97 100,04

1.6 53,01 5,1 9,06 0,75 18,15 2,41 0,68 0,36 0,91 0,1 0,17 9,33 100,03

2.0 54,35 5,58 15,05 0,72 5,73 1,98 1,31 2,68 0,51 0,12 0,01 12,19 100,23

2.6 54,06 2 4, 9,51 0,73 17,56 2,41 1,15 1,58 0,16 0,1 0,07 8,53 100,28

Таблица 5

Наименование фазы Количество Fe2O3, % КО, % по МС-20

Гематит a-Fe2O3 100 6,5

Метакаолинит Al2O3 • 2SiO2 - 91,8

0,5 64,7

3 36,7

Анортит CaO • Al2O3 • 2SiO2 - 88

0,5 37

1 25,7

3,00 ,2 CO

Стеклофаза состава, мас. %: SiO2 - 76 Al2O3 - 15 K2O - 9 - 91,1

0,5 88

1 8 4

3 CO 8

Результатами исследований методом РФА убедительно подтверждено, что в фазовом составе керамического черепка № 1.6 отсутствует железосодержащая фаза гематита а^е203. На рентгенограмме идентифицированы следующие кристаллические фазы: в-кварц (3,33; 2,12; 1,81А), анортит (3,20; 2,51А), волластонит (2,97; 2,47А), геленит (2,04; 2,44А), а также фиксированное интенсивное гало, свидетельствующее о повышенном содержании стеклофазы.

По мнению авторов, осветление черепка при использовании красножгущихся суглинков обусловлено фиксацией значительного количества Fe2O3 в стеклофа-зе, а также за счет образования твердых растворов алю-мосиликатных фаз с ионами железа (табл. 5).

Как видно из табл. 5, при внедрении даже 3% Fe2O3 в стеклофазу КО составляет 79,8%, что более чем в 10 раз выше по сравнению с КО а^е203 (6,5%). Коэффициент отражения метакаолинита при замещении в нем иона А1 на Fe3+ по схеме значительно снижается до показателя 36,7%.

Таким образом, основываясь на полученных данных, можно заключить, что применение основного сталеплавильного шлака СШ-2 в качестве компонента в грубозернистых керамических массах способствует увеличению прочностных, технико-эксплуатационных и эстетико-потребительских свойств керамического кирпича, что повышает его конкурентоспособность.

Ключевые слова: керамический кирпич, ресурсосберегающие технологии, промышленные отходы, суглинки.

Список литературы

1. Рассказов В.Ф., Ашмарин Т.Д., Ливада А.Н.

Производство строительных материалов с использованием техногенных отходов. // Стекло и керамика.

2009. № 1. С. 5.

2. Каптюшина А.Г., Бондаренко Г.В. Использование отходов в производстве строительных материалов // Строит. материалы. 2008. № 2. С. 38-40.

3. Верещагин В.И., Шильцина А.Д., Селиванов Ю.В. Моделирование структуры и оценка прочности строительной керамики из грубозернистых масс // Строит. материалы. 2007. № 6. С. 38-40.

4. Гороховский А.В., МещеряковД.В., Бурмистров И.Н. и др. Теплоизоляционный материал на основе боя стекла, подвергнутого механохимической активации // Стекло и керамика. 2010. № 1. С. 6-9.

5. Практикум по технологии керамики / Под ред. И.Я. Гуз-мана М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2005. 336 с.

6. Зубехин А.П., Голованова С.П., Яценко Н.Д. и др. Спектроскопические и кристаллохимические основы белизны и цветности силикатных материалов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2007. № 5. С. 40-43.

7. Голованова С.П., Зубехин А.П., Лихота О.В. Отбеливание и интенсификация спекания керамики при использовании железосодержащих глин // Стекло и керамика. 2004. № 4. С. 9-11.

Центр Бетонных Технологий при поддержке Технического Университета Дрездена НИИЖБ им. А.А. Гвоздева ООО «Эм-Си Баухеми» Ассоциации «Железобетон»

Конференция Обследование, ремонт и усиление железобетонных конструкций

15 - 16 июня 2011 г. Санкт-Петербург

Тематика:

• Виды и классификация повреждений: трещины, полости, коррозия арматуры, химическая и физическая деградация бетона, повреждение защитных покрытий.

• Методика обследования зданий и конструкций: цели, последовательность, разрушающие и не разрушающие методы, мониторинг, лабораторный инструментарий, анализ результатов.

• Стратегии восстановления требуемых свойств: определение требований к объектам ремонта, остаточное время эксплуатации, оценка целесообразности различных вариантов ремонта, учет условий для проведения работ, обеспечение качества ремонтно-восстановительных мероприятий.

• Основные методы ремонта и восстановления: репрофилирование, устранения трещин, реалькализации, защиты от коррозии и химических воздействий, гидрофоби-рование, защитные покрытия, активные и пассивные методы катодной защиты.

• Принципы выбора материалов для ремонта и защиты: принцип физической, механической и химической совместимости, учет технических возможностей, ожидаемых нагрузок и долговечности.

• Новые технологии усиления конструкций: усиление полосками из углеродного волокна, усиление текстильным армированием.

Место проведения: Центр Бетонных Технологий

Адрес: Санкт-Петербург, пр. Авиаконструкторов, д. 35, корп. 4 Условия участия и подача заявок телефон: +7 (812) 331-81-84

Козлова Наталья - тел. +7 962 706 87 03 e-mail: natalia.kozlova@beton-center.ru www.beton-center.ru

©teD'AfZJlhrMS.

Ы

научно-технический и производственный журнал

апрель 2011

59