Влияние наноразмерного порошка диоксида кремния на обжиговые строительные материалы с использованием металлургических отходов

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 666.712:622.333 -299.88

Н.К. СКРИПНИКОВА, И.Ю. ЮРЬЕВ, П.В. КОСМАЧЕВ,

В. В. ШЕХОВЦОВ, О.Г. ВОЛОКИТИН, М.А. СЕМЕНОВЫХ,

Томский государственный архитектурно-строительный университет

ВЛИЯНИЕ НАНОРАЗМЕРНОГО ПОРОШКА ДИОКСИДА КРЕМНИЯ

НА ОБЖИГОВЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ОТХОДОВ*

В статье представлены основные результаты анализа керамического кирпича, изготовленного с добавлением доменного шлама, являющегося отходом металлургического комбината АО «ЕВРАЗ». Рассмотрено влияние наноразмерного порошка диоксида кремния (SiO2) на физико-механические характеристики готовых изделий. Установлено, что добавление нанопорошка по общей массе смеси 0,05 % приводит к увеличению предела прочности при сжатии. Проведенный рентгенофазовый анализ показал, что при добавлении модифицирующей нанодобавки увеличивается содержание кварцсодержащих компонентов, которые представлены в основном муллито- и анортитоподобными соединениями.

Ключевые слова: керамика; доменный шлам; физико-химические исследования; керамический кирпич; нанопорошок; диоксид кремния.

Для цитирования: Скрипникова Н.К., Юрьев И.Ю. Космачев П.В., Шехов-цов В.В., Волокитин О.Г., Семеновых М.А. Влияние наноразмерного порошка диоксида кремния на обжиговые строительные материалы с использованием металлургических отходов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2018. Т. 20. № 2. С. 150-156.

N.K. SKRIPNIKOVA, I.Yu. YUREV, V.V. KOSMACHEV, V.V. SHEKHOVTSOV, O.G. VOLOKITIN, M.A. SEMENOVYKH, Tomsk State University of Architecture and Building

FIRED BUILDING MATERIALS MANUFACTURED BY ADDING SILICA NANOPOWDER

The paper presents research results on the analysis of ceramic brick manufactured with the addition blast-furnace sludge which is a waste of AO 'EVRAZ' metallurgical combine. The effect of the silica nanopowder is considered in relation to physical and mechanical properties of

* Работа выполнена при поддержке государственного задания Министерства образования и науки РФ (номер проекта 11.8207.2017/8.9), гранта Президента РФ (МД-553.2018.8) и стипендии Президента РФ (СП-313.2018.1).

© Скрипникова Н.К., Юрьев И.Ю., Космачев П.В., Шеховцов В.В., Волокитин О.Г., Семеновых М.А., 2018

finished materials. It is found that the nanopowder addition in the amount of 0.05 wt.% leads to the compressive strength increase. The X-ray phase analysis show that the nanopowder addition increases the amount of quartz-containing components which represent mostly mullite-and anorthite-like compounds.

Keywords: ceramics; blast-furnace sludge; physicochemical research; ceramic brick; nanopowder; silicon dioxide.

For citation: Skripnikova N.K., Yur'ev I.Yu., Kosmachev P.V., Shekhovtsov V.V., Volokitin O.G., Semenovykh M.A. Vliyanie nanorazmernogo poroshka dioksida kremniya na obzhigovye stroitel''nye materialy s ispol''zovaniem metallurgicheskikh otkhodov [Fired building materials manufactured by adding silica nanopowder]. Vest-nik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta - Journal of Construction and Architecture. 2018. V. 20. No. 2. Pp. 150-156.

Керамический кирпич является одним из востребованных материалов на рынке стройиндустрии. Это обусловлено свойствами керамического кирпича, в том числе декоративными качествами. Кирпич керамический обладает высокими физико-механическими показателями, долговечностью, хорошей звукоизоляцией и разнообразием цветов и форм.

На территории Российской Федерации накоплено большое количество техногенных отходов. На сегодняшний день накоплен значительный опыт использования данного типа отходов в качестве замены глинистого сырья [1-4]. Однако применение каждого типа сырья характеризуется своими особенностями и проблемами при использовании в качестве добавок или основного вида сырья. Подбор рациональных составов сырьевой шихты должен обеспечивать производство готовых изделий, гарантирующих стабильность физико-механических характеристик во время использования в соответствующих областях. Таким образом, в настоящее время актуальной задачей является вовлечение в производство керамических строительных материалов низкосортного сырья: отходов обогащения молибденовых руд [5, 6], золошлаковых отходов [7, 8], доменного шлама [9, 10].

Целью настоящей работы является исследование возможности использования в составе шихты для производства керамической продукции отходов металлургического комбината АО «ЕВРАЗ» (г. Новокузнецк), представленных в виде доменного шлама.

Предварительная оценка технологических свойств показала, что доменный шлам относится к непластичному сырью, т. к. он не образует пластичного теста при затворении водой. Была составлена композиция с добавлением глины в соотношении 1:1. Связующая способность оценивалась по формовочным свойствам исследуемой смеси: величинами полного водосодержания и водо-затворяемости. По результатам испытания доменный шлам в смеси с глиной образует пластичную, однородную массу.

В работах [11-13] представлены результаты исследований по установлению эффективности влияния наноразмерного порошка на различные виды строительных материалов. При изготовлении керамических образцов с добавлением отходов металлургического комбината АО «ЕВРАЗ» в состав шихты вводилась добавка нанопорошка в виде SiO2 (0,05 мас. %), что позволило увеличить реакционную активность и содержание кварцевой составляющей. Ис-

пользуемый в ходе работы нанопорошок был получен плазменно-дуговым методом [14], основанным на процессах плавления и испарения высококремнеземистого сырьевого материала (отсевы кварцевого песка Туганского месторождения, Томская область [15]) под действием плазменного потока и последующей конденсации образуемых паров в виде наночастиц целевого продукта в процессе закалки.

В табл. 1 представленно соотношение исспользуемых компонентов при изготовлении лабораторных образцов.

Таблица 1

Исследуемые составы

№ состава Концентрация используемых компонентов, мас. %

Глина Шлам доменный Нанодисперсный порошок 8Ю2

1 100 - -

2 90 10 -

3 60 40 -

4 90 10 0,05

5 60 40 0,05

Исследовались составы с содержанием шлама доменных печей 10 и 40 мас. %. В часть образцов была введена модифицирующая добавка нано-порошка SiO2.

Для изготовления лабораторных образцов исспользовался способ полусухого формования. При формовке образцов большое значение уделялось гомогенизации смеси. Для равномерного распределения наночастиц диоксида кремния была использована ультразвуковая ванна. С использованием ультразвуковой ванны приготавливалась водная суспензия с добавлением нанопо-рошка в количестве 10 % от общей массы смеси. Полученная суспензия использовалась для затворения глинистой массы. Готовые образцы выдерживались в сушильном шкафу в течение 24 ч при температуре 100-110 °С, после чего производился обжиг при температуре 950 °С в течение 7 ч. На выходе получены образцы размером 50x50x20 мм, усадки и деформации образцов после обжига не наблюдалось.

Физико-механические характеристики готовых изделий оценивались по основным показателям: плотность (р), прочность при сжатии (Ксж), водопо-глощение (^), морозостойкость (К). В табл. 2 представлены значения физико-механических свойств готовых изделий при различном составе шихты.

Согласно полученым результатам (табл. 2) установлено, что введение в состав шихты металлургического отхода снижает плотность образцов на 24 % и прочность при сжатии на 17 %, водопоглощение увеличивается на 3 %. Однако введение в состав наноразмерного порошка позволяет увеличить прочностные показатели на 36 % и уменьшить водопоглощение на 3 % по сравнению с образцом, изготовленным с использованием отходов без добавки.

Таблица 2

Физико-механические показатели образцов

№ состава Физико-механические показатели

р, кг/м3 Rcж, МПа W, % F, цикл

1 2100 ± 5 49 ± 1 16 ± 0,3 > 50

2 1950 ± 5 41 ± 1 17 ± 0,3 > 50

3 1600 ± 5 31 ± 1 19 ± 0,3 > 50

4 1950 ± 5 57 ± 1 14 ± 0,3 > 50

5 1640 ± 5 34 ± 1 17 ± 0,3 > 50

Для установления влияния наноразмерного порошка диоксида кремния на фазовый состав полученных керамических изделий проведен качественный рентгенофазовый анализ. Анализ проводился для образцов, изготовленных по составу № 2 и № 4, которые показали оптимальные значения по прочности при сжатии для производства изделий в рамках выпуска полноценных готовых изделий. На рисунке приведены результаты качественного рентгенофазо-вого анализа.

а

3 000  2 600

2 000

§ 1 500

=

а 1 000

Л 600

о

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 33 40 42 44 46 46 50 52 54 56 56 60 62 64 66 68 70 72 74 76 76 60

2©. град

б

4 000 3 500

3 зооо Е

0 2500 | 2 000 = 1 500

1 ^

500

О

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 76 80

2в. град

Результаты качественного рентгенофазового анализа для образцов, изготовленных по составу № 2

Путем анализа полученных рентгенограмм установлено, что содержание кварцсодержащих компонентов увеличивается при введении наноразмерного диоксида кремния. Также увеличивается концентрация муллитоподоб-ных (2,28 А; 2,13 А) и анортитоподобных соединений (3,22 А; 2,82 А), обес-

печивающих прочность готовых изделий, о чем свидетельствует увеличение интенсивности рентгеновских максимумов.

В результате проведенных экспериментов по исследованию влияния наноразмерного диоксида крения на физико-механические характеристики изготовленных керамических изделий на основе отходов металлургического комбината АО «ЕВРАЗ» установлено, что из двухкомпонентных сырьевых смесей (10-40 % шлама + 90-60 % глинистого сырья) возможно получение керамических стеновых материалов с высокими эксплуатационными характеристиками. Использование нанопорошка диоксида кремния увеличивает прочностные показатели на 36 %, а также уменьшает водопоглощение на 3 %. При получении строительных материалов из вторичного сырья экономическая эффективность обусловлена снижением потребности в первичных минерально-сырьевых ресурсах, кроме того, отпадет необходимость в специализированных карьерах по разработке глин, нарушении природных ландшафтов и т. д. На основе результатов исследований влияния наночастиц диоксида кремния на модифицируемые изделия можно говорить о перспективах их использования в керамических материалах.

Библиографический список

1. Суворова О.В., Макаров Д.В., Кумарова В.А., Некипелов Д.А. Использование отходов обогащения руд для получения строительной керамики с повышенными физико-техническими свойствами // Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН. 2017. № 14. С. 263-266.

2. Zhang L. Production of bricks from waste materials - A review // Construction and Building Materials. 2013. V. 47. P. 643-655.

3. Velasco P.M. Fired clay bricks manufactured by adding wastes as sustainable construction material // Construction and Building Materials. 2014. V. 63. P. 97-107.

4. Столбоушкин А.Ю. Стеновые керамические материалы матричной структуры на основе неспекающегося малопластичного техногенного и природного сырья: дис. ... докт. техн. наук. Новосибирск, 2014. С. 365.

5. Верещагин В.И., Бурученко А.Е., Кащук И.В. Возможности использования вторичного сырья для получения строительной керамики и ситаллов // Строительные материалы. 2000. № 7. С. 20-23.

6. Левит А.И. Современное состояние и перспективы недропользования на Южном Урале // Вестник Челябинского государственного университета. 2007. № 6. С. 48-55.

7. Шеховцов В.В., Волокитин О.Г., Отмахов В.И., Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К. Исследование полых микросфер, полученных на основе золошлаковых отходов ТЭС Кемеровской области в потоке термической плазмы // Стекло и керамика. 2018. № 1. С. 36-39.

8. Котляр В.Д., Устинов А.В., Ковалев В.Ю., Терехина Ю.В. Керамические камни компрессионного формования на основе опок и отходов обогащения // Строительные материалы. 2013. № 4. С. 44-46.

9. Лазарева Т.Л., Куликова Е.С. Исследование влияния отходов промышленности на свойства стеновой керамики // Технические науки - от теории к практике. 2016. № 55. С. 135-140.

10. Гурьева В.А., Бутримова Н.В., Дорошин А.В., Дубинецкий В.В., Вдовин К.М. Эколого-экономический эффект применения нефтешламов при производстве керамического кирпича // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 11-4 (53). С. 50-53.

11. Космачев П.В., Демьяненко О.В., Власов В.А., Копаница Н.О., Скрипникова Н.К. Композиционные материалы на основе цемента с нанодисперсным диоксидом кремния // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2017. № 4 (63). С. 101-106.

12. Саркисов Ю.С., Копаница Н.О., Касаткина А.В. О некоторых аспектах применения наноматериалов и нанотехнологий в строительстве // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2012. № 4. С. 226-234.

13. Шандаков С.Д., Кособуцкий А.В. Оптические свойства пленок на основе углеродных нанотрубок в инфракрасном и терагерцовом диапазоне спектра // Известия вузов. Физика. 2016. Т. 59. № 5. С. 130-136.

14. Космачев П.В., Власов В.А., Скрипникова Н.К. Исследование структуры и свойств нано-порошка SiO2, полученного плазменным методом из природных высококремнеземистых сырьевых материалов // Известия высших учебных заведений. Физика. 2017. Т. 60. № 2. С. 46-50.

15. Абзаев Ю.А., Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К., Волокитин О.Г., Шеховцов В.В. Исследования по использованию плазменной технологии при получении кварцевой керамики. Часть 1: Анализ кварцевого песка // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2014. № 5 (46). С. 106-111.

References

1. Suvorova O.V., Makarov D.V., Kumarova V.A., Nekipelov D.A. Ispol'zovaniye otkhodov obogashcheniya rud dlya polucheniya stroitel'noy keramiki s povyshennymi fiziko-tekhnicheskimi svoystvami [Ore tails in building ceramics production with increased physical and technical properties]. Trudy Fersmanovskoi nauchnoi sessii GI KNTs RAN. 2017. No. 14. Рр. 263-266.

2. Zhang L. Production of bricks from waste materials - A review. Construction and Building Materials. 2013. V. 47. Pp. 643-655.

3. Velasco P.M. Fired clay bricks manufactured by adding wastes as sustainable construction material. Construction and Building Materials. 2014. V. 63. Pp. 97-107.

4. Stolboushkin A.Yu. Stenovyye keramicheskiye materialy matrichnoy struktury na osnove nespekayushchegosya maloplastichnogo tekhnogennogo i prirodnogo syr'ya: dis. dokt. tekhn. nauk [Wall ceramic materials of matrix structure based on non-caking low-plastic industrial and natural raw material. DSc Thesis]. Novosibirsk, 2014. Рр. 365.

5. Vereshchagin V.I., Buruchenko A.E., Kashchuk I.V. Vozmozhnosti ispol'zovaniya vtorichnogo syr'ya dlya polucheniya stroitel'noy keramiki i sitallov [Secondary raw materials in building ceramics production and sitalls]. Stroitel'nye materialy. 2000. No. 7. Рр. 20-23.

6. Levit A.I. Sovremennoye sostoyaniye i perspektivy nedropol'zovaniya na Yuzhnom Urale [Current state and prospects of subsoil use in the Southern Urals]. Vestnik Chelyabinskogo gosudarstvennogo universiteta. 2007. No. 6. Рр. 48-55.

7. Shekhovtsov V.V., Volokitin O.G., Otmakhov V.I., Volokitin G.G., Skripnikova N.K. Issledo-vaniye polykh mikrosfer, poluchennykh na osnove zoloshlakovykh otkhodov TES Kemerov-skoy oblasti v potoke termicheskoy plazmy [Hollow ash and slag waste-based microspheres using thermal plasma treatment]. Steklo i keramika. 2018. No. 1. Рр. 36-39.

8. Kotlyar V.D., Ustinov A.V., Kovalev V.Yu., Terekhina Yu.V. Keramicheskiye kamni kompression-nogo formovaniya na osnove opok i otkhodov obogashcheniya [Compression molding of ceramic stone based on molding box and tails]. Stroitel'nye materialy. 2013. No. 4. Pp. 44-46.

9. Lazareva T.L., Kulikova E.S. Issledovaniye vliyaniya otkhodov promyshlennosti na svoystva stenovoy keramiki [Industry waste effect on wall ceramics properties]. Tekhnicheskie nauki -ot teorii kpraktike. 2016. No. 55. Pp. 135-140.

10. Guryeva V.A., Butrimova N.V., Doroshin A.V., Dubinetsky V.V., Vdovin КМ. Ekologo-ekonomicheskiy effekt primeneniya nefteshlamov pri proizvodstve keramicheskogo kirpicha [Ecological and economic benefit from using oil sludge in ceramic brick production]. Mezhdu-narodnyi nauchno-issledovatel'skii zhurnal. 2016. No. 11-4

11. Kosmachev P.V., Dem'yanenko O.V., Vlasov V.A., Kopanitsa N.O., Skripnikova N.K. Kompozicionnye materialy na osnove cementa [Composite materials based on cement with nanodispersed silicon dioxide]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2017. No. 4

12. Sarkisov Yu.S., Kopanitsa N.O., Kasatkina A.V. O nekotorykh aspektakh primeneniya nano-materialov i nanotekhnologiy v stroitel'stve [Aspects of construction application of nano-

materials and nanotechnologies]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2012. No. 4. Рр. 226-234.

13. Shandakov S.D., Kosobutsky A.V. Opticheskiye svoystva plenok na osnove uglerodnykh na-notrubok v infrakrasnom i teragertsovom diapazone spektra [Optical properties of films based on carbon nanotubes in infrared and terahertz spectral ranges]. Izvestiya vuzov. Fizika. 2016. T. 59. No. 5. Рр. 130-136.

14. Kosmachev P.V., Vlasov V.A., Skripnikova N.K. Issledovanie struktury i svoistv nanoporoshka SiO2, poluchennogo plazmennym metodom iz prirodnykh vysokokremnezemistykh syr'evykh materialov [Structure and properties of silica nanopowder obtained by plasma treatment from natural high-silica raw materials]. Izvestiya vuzov. Fizika. 2017. V. 60. No. 2. Pp. 46-50.

15. Abzaev Yu.A., Volokitin G.G., Skripnikova N.K., Volokitin O.G., Shekhovtsov V.V. Issledovaniya po ispol'zovaniyu plazmennoy tekhnologii pri poluchenii kvartsevoy keramiki. Chast' 1: Analiz kvartsevogo peska [Plasma treatment of quartz ceramics. Part 1. Silica sand analysis]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2014. No. 5. Pp. 106-111.

Сведения об авторах

Скрипникова Нелли Карповна, докт. техн. наук, профессор, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, nks2003@mail.ru

Юрьев Иван Юрьевич, канд. техн. наук, начальник управления научной деятельностью, Томский государственный архитектурно--строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, yiywork@mail.ru

Космачев Павел Владимирович, ассистент, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, pvkosm@gmail.com

Шеховцов Валентин Валерьевич, аспирант, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, shehovcov2010@yandex.ru

Волокитин Олег Геннадьевич, докт. техн. наук, профессор, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, volokitin_oleg@mail.ru

Семеновых Марк Андреевич, магистрант, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, semenovykhmark@gmail.com

Authors Details

Nelli K. Skripnikova, DSc, Professor, Tomsk State University of Architecture and Building, Solyanaya Sq., 2 Building 2, 634003, Tomsk, Russia, nks2003@mail.ru

Ivan Yu. Yur'ev, PhD, Head of Research Department, Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia; yiywork@mail.ru

Pavel V. Kosmachev, Assistant Professor, Tomsk State University of Architecture and Building, Solyanaya Sq., 2 Building 2, 634003, Tomsk, Russia, pvkosm@gmail.com

Valentin V. Shekhovtsov, Research Assistant, Tomsk State University of Architecture and Building, Solyanaya Sq., 2 Building 2, 634003, Tomsk, Russia, shehovcov2010@yandex.ru

Oleg G. Volokitin, DSc, Professor, Tomsk State University of Architecture and Building, Solyanaya Sq., 2 Building 2, 634003, Tomsk, Russia, volokitin_oleg@mail.ru

Mark A. Semenovykh, Undergraduate, Tomsk State University of Architecture and Building, Solyanaya Sq., 2 Building 2, 634003, Tomsk, Russia, semenovykhmark@gmail.com