автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Формирование структуры и свойств керамического кирпича из мергелистых глин

На правах рукописи

КУЗЬМИН ВЛАДИМИР ВАЛЕРЬЕВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА ИЗ МЕРГЕЛИСТЫХ ГЛИН

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 2004

Работа выполнена в Самарском государственном архитектурно-строительном университете на кафедре «Строительные материалы»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Чумаченко Наталья Генриховна

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Комнссаренко Борис Семенович

доктор технических наук, доцент Недосеко Игорь Вадимович

Ведущая организации - ГУП «БашНИИстрой», г. Уфа

Защита диссертации состоится 4 июня 2004 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.213.01 в Самарском государственном архитектурно-строительном университете (СГАСУ) по адресу: 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 194, ауд. 0407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан

¿^¿¿^ 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Актуальность работы.

Производство изделий строительной керамики переживает в настоящее время второе рождение. Этому способствовал ряд объективных факторов: доступность сырьевой базы; возможность получения широкого ассортимента изделий - от стеновых материалов, плиток для полов и облицовки стен, кровельных изделий до сантехнических и изделий специального назначения; низкий радиационный фон; архитектурная выразительность зданий, возводимых с применением керамических материалов.

Наблюдается тенденция не только увеличения мощности предприятий строительной керамики, но и выпуска на одном предприятии различных по назначению изделий. Однако несмотря на интенсивное развитие этих производств, промышленность еще не полностью удовлетворяет потребность строительства в таких изделиях. Ряд зарубежных фирм помогают решить эту проблему за счет поставок полностью автоматизированных технологических линий.

Среди изделий строительной керамики керамическому кирпичу отводится ведущая роль в настоящее время и на ближайшую перспективу. Кирпичная стена отвечает самым высоким требованиям комфортности и износостойкости, аккумулирует тепло, благоприятно воздействует на климат жилища. Возрастающая потребность в большом многообразии экологически чистых, качественных керамических изделий вызывает необходимость изменения традиционных составов и технологий.

Налаженное производство керамического кирпича, особенно на новых современных технологических линиях, не вызывает существенных проблем при изготовлении рядового керамического кирпича марок 100-150. Тщательная переработка сырья и большая доля автоматизации процессов гарантируют стабильное качество продукции. На таком оборудовании, при отлаженной технологии, можно выпускать кирпич без традиционных дефектов: сколы углов, коробление. Однако даже самое современное оборудование не гарантирует выпуск лицевой керамики без таких дефектов как «дутики» (карбонатные включения), сушильные трещины и свиливатость. Наличие карбонатных включений не только ухудшает декоративные свойства лицевой керамики, но и, аналогично влиянию сушильных трещин, снижает морозостойкость изделий, т.е. их долговечность. Характерным регионом, где при производстве керамического кирпича из легкоплавких глин и суглинков наблюдаются перечисленные дефекты, является Башкирия.

Известные технологические решения в настоящее время не решают проблему повышения качества керамического кирпича из мергелистых глин. Разработка ее актуальна и позволит повысить кондиционность кирпично-черепичного сырья из мергелистых глин и качество керамического кирпича, устранив такие дефекты как свиливатость, сушильные трещины, «дутики». Очевидно, изучив основные причины, которые вызывают образование перечисленных дефектов, можно разработать оптимальные структуры и составы, обеспечивающие получение качественного

( БИБЛИОТЕКА I

! ¿'зд!

Цель настоящей работы - разработка составов и способов производства керамического кирпича на основе мергелистых глин, обеспечивающих устранение таких дефектов как «дутики», свиливатость, сушильные трещины. Задачи исследования:

1. Анализ причин образования таких дефектов керамического кирпича как свиливатость и «дутики», а также низкой прочности.

2. Обоснование оптимальной структуры формовочных масс, включающих глинистые компоненты и отощители, с целью устранения свиливатости.

3. Обоснование оптимального влагоизолирующего состава для улучшения сушильных свойств керамического кирпича.

4. Выбор вида добавки к глинистому сырью с карбонатными включениями, обеспечивающей образование на поверхности СаО оболочки из твердых растворов.

5. Разработка составов керамических шихт, устраняющих свиливатость.

6. Разработка составов керамических шихт, нейтрализующих вредное влияние карбонатных включений.

7. Разработка составов керамических шихт, обеспечивающих повышение прочности.

8. Проверка оптимальных составов в производственных условиях.

Научная новизна работы.

Научная новизна заключается в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении составов и способов, позволяющих устранить такие дефекты керамического кирпича как «дутики», свиливатость, сушильные трещины.

При этом:

1. Определены причины образования таких дефектов керамического кирпича на основе мергелистых глин как свиливатость и «дутики», а также низкой прочности.

2. Обосновано влияние вида карбонатных включений на интенсивность «дутикообразования» с позиций контракции продуктов гидратации.

3. Разработаны оптимальные модели структуры керамических шихт, обеспечивающих устранение свиливатости.

4. Впервые обоснована эффективность применения нефтешлама (нефтеиз-вестковой эмульсосуспензии полной заводской готовности) в качестве влагоизолирующего состава для обработки свежеотформованного бруса при производстве керамического кирпича с целью улучшения сушильных свойств.

5. Определена роль железосодержащих добавок к мергелистым глинам для нейтрализации карбонатных включений.

6. Разработаны составы, устраняющие свиливатость, нейтрализующие вредное влияние карбонатных включений, повышающие прочность керамического кирпича.

Достоверность полученных результатов.

Обоснование составов керамических шихт на основе мергелистых глин, обеспечивающих устранение таких дефектов керамического кирпича как «ду-тики» и свиливатость, выполнено с позиций современных представлений фундаментальных наук.

Достоверность исследований обеспечена:

- количеством образцов - близнецов в партии, обеспечивающим при фактической статистической изменчивости значения исследуемых характеристик с доверительной вероятностью 0,95-0,97, при погрешности 5-10 %;

- применением математических методов планирования экспериментов и статистической обработкой результатов;

- сходимостью полученных эксплуатационных данных с результатами других исследователей;

- использованием аттестованного лабораторного оборудования;

- использованием комплекса современных физико-химических методов: химического, рентгенографического, дифференциально-термического, петрографического и электронно-микроскопического;

- проверкой результатов лабораторных исследований в производственных условиях.

Основные результаты внедрены в учебный процесс.

Практическая значимость работы.

Выполненная работа имеет большое практическое значение для:

• прогнозирования качества керамических материалов из кирпично-черепичных глин Башкирии;

• повышения кондиционности кирпично-черепичного сырья из мергелистых глин;

• повышения качества керамического кирпича и устранения таких дефектов как свиливатость, сушильные трещины, «дутики».

Реализация результатов исследований.

Разработанные составы прошли производственную проверку на Белебе-евском кирпичном заводе и Уфимском комбинате строительных материалов.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленной апробации используются в учебном процессе СГАСУ при подготовке инженеров по специальности 290600 при чтении лекций и выполнении курсовых работ по дисциплине «Керамические и плавленые материалы», а также при чтении лекции по дисциплине «Совершенствование технологии производства строительных материалов» при подготовке магистров; при выполнении дипломных проектов. Отдельные разработанные положения включены в учебное пособие «Разработка составов сырьевых шихт для производства керамических материалов».

Результаты работы также рекомендуется использовать:

- кирпичным заводам для устранения таких дефектов как свиливатость, сушильные трещины, «дутики», а также для повышения марки керамического кирпича по прочности;

- при организации новых кирпичных заводов;

- геологическим службам по природным ресурсам для разработки рекомендаций по использованию разведанных месторождений глинистого сырья;

- промышленным предприятиям для выбора направлений использования промышленных минеральных отходов.

На защиту выносятся:

1. Результаты оценки качества кирпично-черепичных глин Башкирии и керамического кирпича из этих глин.

2. Обоснование причин, вызывающих образование такого дефекта как сви-ливатость.

3. Обоснование влияния вида карбонатных включений на интенсивность «дутикообразования» с позиций контракции продуктов гидратации.

4. Оптимальные модели структуры керамических шихт, обеспечивающей устранение свиливатости.

5. Способ обработки свежеотформованного бруса при производстве керамического кирпича с целью улучшения сушильных свойств влагоизолирую-щим составом, в качестве которого используется нефтешлам - нефтеизвестко-вая эмульсосуспензия полной заводской готовности.

6. Определении роли железосодержащих добавок к мергелистым глинам для нейтрализации карбонатных включений.

7. Зависимости изменения свойств суспензий на основе железосодержащего шлифовального шлама, применяемого для нейтрализации карбонатных включений.

8. Составы керамических шихт, устраняющие свиливатость, нейтрализующие вредное влияние карбонатных включений, повышающие прочность керамического кирпича.

9. Результаты производственной апробации.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на международных, всесоюзных, республиканских и межотраслевых конференциях: III международной НТК при III Международной специализированной выставке "Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство - 99 : Проблемы строительного комплекса России" (Уфа, 1999); Всероссийской XXXI науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы современного строительства" (Пенза, 2001); Региональных 58-60 НТК СамГАСА "Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды" и "Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика." (Самара, 2001, 2002, 2003); III Международной НПК молодых ученых, аспирантов и докторантов памяти В.Г. Шухова "Современные проблемы строительного материаловедения" (Белгород, 2001); VII Всероссийском конгрессе "Экология и здоровье че-

ловека" (Самара, 2001); VIII Всероссийском конгрессе "Актуальные проблемы экологии человека" (Самара, 2002); II Всероссийской научно-практической конференции "Процессы, технологии и оборудование для переработки отходов и вторичного сырья. Полигоны по захоронению отходов" (Самара, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ. Подано две заявки на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, основных выводов, списка литературы и 8 приложений. Работа изложена на 223 страницах машинописного текста, включающего в себя 38 таблицы, 33 рисунков, список литературы из 135 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение раскрывает актуальность проблемы и определяет основную цель исследования, научную новизну и практическую значимость.

Глава 1

В первой главе представлен обзор отечественной и зарубежной информация о методах, составах и способах прогнозирования образования и устранения основных дефектов керамического кирпича.

Впервые основные виды брака в кирпично-черепичном производстве и способы их устранения были освещены в работах Г. И. Майлис и А.Н. Варшавского, Г. Зальманга, а позднее обобщены В.Е. Байером и М.И. Хигеровичем.

Большой вклад в объяснение процесса образования свиливатости внес А.А. Новопашин.

Представить процесс сушки, определить факторы, влияющие на этот процесс, обосновать оптимальный режим сушки, объяснить и прогнозировать образование дефектов на этапе сушки и предложить способы их устранения позволяет разработанная теория сушки. Теоретические основы процесса сушки освещены в работах А.В. Лыкова, О. Кришера, К.А Нохратяна, Х.С. Воробьева, И.М. Мороз, Д.Я. Мазурова, Г.В. Нагибина и др.

В Башкирии также проводились исследования по оптимизации составов и процессов сушки. Ю.В. С этой целью Ергин и О.Я. Самойлов апробировали многие мало- и многотоннажные отходы и продукты нефтехимии.

Учитывая различное строение частиц глинистых минералов и зерен ото-щителя, можно предположить, что строение зерен, их размер и количественное соотношение определяют склонность к свилиобразованию.

Основная задача на этапе сушки сводится к ускорению внутренней диффузии влаги, что приводит в конечном итоге к сокращению сроков сушки и уменьшению количества брака. Для этого применяют ряд способов (отощение глины, пароувлажнение и вакуумирование массы, введение электролитов — коагуляторов и др.), а наиболее эффективным является - обработка свежеот-формованного бруса влагоизолирующими составами

Среди применяемых влагоизолирующих составов наибольшей эффективностью обладают технические, специально приготовленные, эмульсии и

эмульсосуспензии второго рода типа «вода в масле». Однако известные составы обладают рядом недостатков: имеют низкую влагозадерживающую способность и стабильность; высокую стоимость и необходимость дефицитных материалов. Разработка влагоизолирующего состава с улучшенными характеристиками является актуальной задачей. С другой стороны, некоторые промышленные отходы содержат в своем составе компоненты, обладающие влагоизоли-рующими свойствами. Так, многотоннажный, широко распространенный промышленный отход - нефтешлам является готовой эмульсосуспензией второго рода типа «вода в масле» и, очевидно, может быть использован в качестве вла-гоизолирующего состава.

Использование в кирпично-черепичном производстве закарбонизирован-ных глин, а также карбонатных добавок при производстве лицевого кирпича светлых тонов требует тонкого их измельчения при переработке масс в пластическом состоянии. Недостаточная степень их измельчения приводит к образованию брака - «дутика». В результате диссоциации карбонатов образуются СаО и MgO, продукты гидратации которых, за счет значительного увеличения объема, могут вызвать снижение качества выпускаемых изделий.

М.О. Юшкевич и М.И. Роговой разработали классификацию карбонатных примесей и включений. Роль карбонатных включений определяется их дисперсностью, видом и количеством.

Значительный вклад в улучшение качества керамических материалов, изготовленных из мергелистого сырья, внесли исследования, выполненные О.В. Соловьевой, И.В. Смирновой, М.И. Дыгало, И.И. Рыжовым, Л.М. Блюме-ным, Г.В. Вахрушевым (Башкирия) и др.

Работы по повышению качества керамического кирпича из закарбонизи-рованного сырья ведутся в следующих направлениях: диспергация сырьевых шихт; изменение технологических параметров производства; разработка составов сырьевых шихт, нейтрализующих вредное влияние карбонатных включений.

Известны сведения о корректировке состава керамических шихт добавками, взаимодействующими с СаО при обжиге. В результате такого взаимодействия активный к гидратации СаО переходит в инертные к воде кальцийсодер-жащие соединения или растворимые, но не вызывающие разрушения соединения. Самыми распространенными добавками являются хлориды натрия (поваренная соль) и кальция. Меньший нейтрализующий эффект установлен при корректировке сырья добавками молотого кремнезема, базальта, стекла. Более эффективное воздействие на процессы связывания свободной извести оказывают добавки, содержащие восстановители, например, коксовая пыль или зола-унос.

Большинство разработанных методов высокоэнергоемкие и также требуют дефицитных материалов. В известных решениях не использован эффект «капсулирования» крупных карбонатных включений оболочкой из твердых растворов.

Глава 2

Выполнен анализ 330 разведанных месторождений кирпично-черепичных

глин Республики Башкортостан. Территориальное размещение месторождений сырья неравномерное.

Анализ результатов стандартной оценки кирпично-черепичных глин Башкирии выявил следующее:

• доля кондиционного сырья как для эксплуатируемых (2,5 %), так и для не-эксплуатируемых (5,5 %) месторождений очень мала;

• большое количество месторождений (34,3 % эксплуатируемых и 48,8 % не-эксплуатируемых) содержат крупнозернистые включения. По содержанию крупнозернистых включений сырье многих месторождений относится к группе с высоким их содержанием. Основной вид включений - карбонатные, на втором месте - обломки песчаника, кремня и других горных пород, песок. Большая часть карбонатных включений представлена известковыми породами, так для эксплуатируемых месторождений количество месторождений с такими включениями составляет 29 %, а для неэксплуатируемых - 41,3 %. Карбонатные включения встречаются в виде: мелких включений, крупных включений, линз, налета на поверхности сырья. В отдельных месторождениях известняковые включения сосредоточены в верхних слоях. Ряд месторождений имеют такие включения на всю полезную толщу;

• по химическому составу основная часть сырья относится к группе кислого и лишь небольшая часть - к группе полукислого сырья. По содержанию красящих оксидов сырье всех месторождений относится к группе с высоким их содержанием. По пластичности глинистое сырье большинства месторождений относится к среднепластичному сырью. Многие глины чувствительны к сушке.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы: основной способ формования - пластический; обожженные в окислительной среде изделия будут иметь красный и кирпично-красный цвет; для большинства глин необходима отощающая добавка; для получения из сырья качественных изделий со стабильными свойствами необходима тщательная переработка или обогащение.

В настоящее время в Республике Башкортостан керамический кирпич выпускается преимущественно пластическим формованием из глинистого сырья без добавок или с отощающими добавками. Основными марками выпускаемого керамического кирпича являются 75 и 100. На многих предприятиях керамический кирпич имеет следующие дефекты: сушильные трещины, свили-ватость, «дутики».

Значительная засоренность кирпично-черепичного сырья известковыми включениями и большая вероятность наличия их в неисследованном сырье подтверждают актуальность проведения исследований по улучшению качества керамического кирпича на основе мергелистых глин.

Глава 3

Экспериментальные исследования были выполнены на основе глины Бе-лебеевского месторождения, которая является характерным представителем кирпично-черепичного сырья Республики Башкортостан с известковыми включениями. В качестве отощающей добавки применен песок месторождения Ка-баково Белебеевского района Башкортостана.

В качестве корректирующих добавок использованы промышленные отходы: пиритные огарки АО "Минудобрения" (г. Мелеуз); нефтешлам Новокуйбышевского нефтеперерабатывающего завода; гальваношлам Белебеевского завода АО «Автонормаль»; кремнеземсодержащий отход.

Качество исходных сырьевых материалов, химический состав материалов и продуктов обжига, физико-химические свойства изготовленных образцов и изделий оценивались стандартными методами, а также с использованием комплекса современных физико-химических методов: химического, рентгенографического, дифференциально-термического, петрографического и электронно-микроскопического.

В работе использовались вероятностно-статистические методы исследования, применены математические методы планирования экспериментов и статистической обработкой результатов. Значимость коэффициентов в уравнениях регрессии оценивалась по критерию Стьюдента. Проверка адекватности проводилась по критерию Фишера.

Оценка объемных изменений, происходящих при гидратации СаО и М^О, выполнена по величине контракции.

Для оценки свойств кирпично-черепичного сырья использован «Программный комплекс для оценки минерального алюмосиликатного сырья», разработанный на кафедре «Строительные материалы» СГАСУ и включающий программы «Оценка» и «Вариант».

Глава 4

Выполненная автором расчетная оценка кирпично-черепичного сырья Республики Башкортостан с помощью программного комплекса показала следующее:

- наличие крупнозернистых карбонатных включений не может обеспечить производство керамических изделий стабильного качества;

- после тщательной переработки сырье около 50 % месторождений может иметь оптимальные технологические параметры для производства спекшихся керамических материалов низких марок и около 50 % месторождений без корректировки состава не может обеспечить производство качественного керамического кирпича.

Расчетная оценка глинистого сырья Белебеевского месторождения, выполненная с помощью компьютерной программы «Оценка», показала, что в глинистом сырье достаточное для жидкостного спекания количество плавней ЫагО и которые обеспечивают образование расплава при низких температурах. Не растворившаяся часть состоит из кварца, СаО и MgO. Избыток плавней способствует резкому увеличению количества расплава в коротком интервале температур 1028-1058 °С, что ограничивает максимальную температуру обжига до 1030 °С. Эта расчетная температура согласуется с рекомендуемой температурой обжига, полученной экспериментальными методами. При более высокой температуре возможно оплавление изделий.

Установлен вид добавки, способной улучшить спекание. В качестве такой добавки рекомендуется кремнеземсодержащая. Выполненные экспериментальные исследования подтвердили возможность повышения прочности керамическо-

го кирпича на 30-50 % при направленной корректировке глины кремнеземсодер-жащей добавкой.

Глава 5

Основным дефектом керамического кирпича Белебеевского кирпичного завода, возникающим при сушке, является свиль. Свиль — слоистость в виде подковообразных трещин, вложенных друг в друга, на постели кирпича. Различают слоистость I и II вида. I вид слоистости - в виде двух крупных, изогнутых по спирали элементов, каждый из которых делает примерно один полный виток, образуется в результате разрезания шнеком формовочной массы. Этот вид слоистости легко можно обнаружить на брусе после формования.

II вид слоистости — каждый спиральный элемент разделен системой подковообразных слоев, происхождение которых не связано с разрезанием массы. Этот вид слоистости возникает еще до поступления глины в головку прессе, а именно: в момент прохода глины между прессующими лопостями шнека. Глина, имея чешуйчатое строение, под действием сжимающих усилий ориентируется перпендикулярно прилагаемой нагрузке (рис.1). При прохождении глины через шнек в результате смещения массы происходит также ориентация частиц, а масса приобретает неравномерно - анизотропное строение. В результате происходит расслоение глины: масса разделяется на подковообразные слои. Анизотропная структура, склонная к свилиобразованию, образуется также при наличии в глине (шихте) тонкодисперсного монофракционного отощителя или при недостоточном количестве крупных фракций отощителя. При оптимальном гранулометрическом составе отощителя анизотропная структура не образуется и характерные для свиля трещины - отсутствуют. Грансостав отощителя в шихте влияет на образование слоистости и при разрезании.

Исследования показали, что основной способ устранения этого дефекта -оптимизация гранулометрического состава отощителя, а именно: замена тонкодисперсных фракций на более крупнодисперсные. Крупнодисперсную фракцию отощителя можно выделить при отсеве песка или получить путем дробления боя кирпича и последующего рассева. Разработаны составы на основе глины и песка Кабаковского месторождения, а также фракционированного шамота из боя керамического кирпича, обеспечивающие устранение свиливатости даже после 25 циклов замораживания и оттаивания.

Одним из способов улучшения сушильных свойств керамического кирпича является обработка свежеотформованного бруса влагоизолирующими составами. Среди применяемых влагоизолирующих составов наиболее эффективны технические эмульсии и эмульсосуспензии второго рода типа «вода в масле». Анализ известной информации о многотоннажном, широко распространенном промышленном отходе - нефтешламе позволил установить, что этот отход является эмульсосуспензией второго рода типа «вода в масле» и обладает рядом преимуществ перед известными, специально приготовленными, влагои-золирующими составами. В главе приведены результаты исследования по применению нефтешлама в качестве влагоизолирующего состава.

ОРИЕНТАЦИЯ ГЛИНИСТЫХ ЧАСТИЦ ПОД ВЕРТИКАЛЬНОЙ НАГРУЗКОЙ

ОРИЕНТАЦИЯ ЧАСТИЦ ПРИ НАЛИЧИИ МЕЛКОЙ ФРАКЦИИ ОТОЩИТЕЛЯ

а)исходное состояние

б) после приложения нагрузки

ОРИЕНТАЦИЯ ГЛИНИСТЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ЧЕРЕЗ ШНЕК

а) исходное состояние

б) после прохождения через шнек

ОРИЕНТАЦИЯ ЧАСТИЦ ПРИ НЕДОСТАТКЕ КРУПНОЙ ФРАКЦИИ ОТОЩИТЕЛЯ

а) исходное состояние

б) после прохождения через шнек

ОРИЕНТАЦИЯ ЧАСТИЦ ОПТИМАЛЬНОГО ГРАНСОСТАВА ПРИ СДВИГЕ

а) исходное состояние

б) после прохождения через шнек

ОРИЕНТАЦИЯ ЧАСТИЦ ПРИ РАЗРЕЗАНИИ ГЛИНЫ

а) исходное состояние

б) после приложения нагрузки

а) оптимальный грансостав

б) при недостатке крупных фракций отощителя

в) при отсутствии крупных фракций отощителя

Рис. 1. Варианты моделей структуры шихт (глина + отощитель) при пластическом формовании

Нефтешлам состоит из органической, минеральной частей и воды. Органическая часть представлена нефтью, продуктами ее переработки, присадками и ПАВ, а минеральная часть - известью, карбонатами кальция и магния, гидро-ксидами железа и алюминия. Минеральная часть состоит из молекулярных и коллоидных частиц, поэтому удельная поверхность нефтешлама в 2-3 раза выше дисперсности извести в нефтеизвестковой эмульсосуспензии. Высокая дисперсность минеральной части обеспечивает шламу значительную пластичность. Самопроизвольный процесс диспергации нефтешламовой эмульсосуспензии связан с наличием в промстоке в нефти и нефтепродуктах присадок и поверхностно-активных веществ, в том числе и нафтеновых кислот. При взаимодействии извести с нафтеновыми кислотами образуются нафтенаты кальция, которые нерастворимы в воде, но коллоидно растворимы в углеводородах. Такие вещества, отличающиеся гидрофобностью и нафтенофильностью, стабилизируют эмульсии воды в нефти и нефтепродуктах. Часть минеральной составляющей нефтешлама остается в полученной эмульсии в виде тонкой взвеси. Эти твердые тонкодисперсные частицы, как бы «бронируя» поверхность, в свою очередь, увеличивают диффузионное сопротивление эмульсионной пленки проникновению влаги, а также повышают прочность пленки.

Исследования по улучшению сушильных свойств обработкой свежеот-формованных изделий влагоизолирующими составами были выполнены с ис-пользванием пяти проб нефтешлама Новокуйбышевского нефтеперерабатывающего завода. Все исследуемые составы шлама имели более высокие значения по дисперсности, пластичности и стабильности, а по плотности и вязкости они практически не отличались от прототипа - специально приготовленной нефтеизвестковой эмульсосуспензии.

Высокая стабильность нефтешлама объясняется наличием в минеральной части шлама одноименно заряженных золей металлов - гидроксидов железа и алюминия, а в органической части - поверхностно-активных веществ, а также значительной дисперсностью минеральной составляющей. Эти факторы замедляют самопроизвольный процесс слияния и укрупнения частиц дисперсной фазы, а также осаждение этих частиц под действием сил тяжести.

В ходе исследований установлено, что нефтешлам, содержащий, в частях по объему: органическая часть : минеральная часть : вода = (3/2,4): (1/1,6): 2, представляет собой готовую высококонцентрированную эмульсосуспензию второго рода типа «вода в масле» и является оптимальным при использовании его в качестве влагоизолирующего состава.

Установлено, что нефтешлам с пониженным содержанием воды можно довести до нужной (оптимальной) консистенции за счет добавления воды до требуемого количества и перемешивания компонентов в пропеллерной мешалке.

Доказана эффективность применения нефтешлама — нефтеизвестковой эмульсосуспензии полной заводской готовности в качестве влагоизолирующего состава в технологии производства керамических материалов, в частности, для обработки свежеотформованного бруса при производстве керамического кирпича.

Нефтешлам оптимального состава обладает повышенной влагозадержи-вающей способностью во время всего периода сушки и высокой стабильност-тью. Кроме того, этот состав по сравнению с известными эмульсосуспензиями имеет и другие преимущества: не требует дополнительных затрат и специального оборудования для приготовления; снижается стоимость, так как вместо специально приготовленной нефтеизвестковой эмульсосуспензии, требующей дефицитных материалов (извести и нефти), используется распространенный и невостребованный многотоннажный отход; повышается степень заводской готовности; обладает практически неограниченным сроком жизнеспособности, так как стабильность восстанавливается за счет перемешивания в пропеллерной мешалке; за счет высокой пластичности шлама обеспечивается свободное движение бруса и распределение шлама тонким слоем, что, в свою очередь, сокращает расход состава. За счет вязкости оптимального значения обеспечивается достаточная текучесть, что не вызывает усложнения процесса подачи состава к мунштуку ленточного пресса; решается экологическая проблема, так как утилизируется многотоннажный отход, образующийся на нефтеперерабатывающих предприятиях.

Внедрение предлагаемого технического решения не потребует существенных капитальных затрат.

Известное явление эффективности эмульгирования за счет акустической кавитации при ультразвуковой обработке было использовано для повышения однородности органических и минеральных шламовых составляющих в пленке влагоизолирующего состава. Более высокие результаты по однородности, стабильности и влагоизолирующей способности были получены после предварительной ультразвуковой обработки нефтешлама.

Глава 6

Основными карбонатами, которые встречаются в кирпично-черепичном сырье, являются следующие минералы: кальцит (СаСС3), магнезит (М^СС3), доломит (CaCО3VMgCО3). Для определения влияния вида этих исходных карбонатных минералов на дутикообразование были проанализированы структурные изменения, происходящие с минералами при диссоциации и последующей гидратации. Были выполнены два варианта сравнения: при одинаковой массе исходных минералов и при одинаковом объеме.

С учетом фазовых превращений карбонатов и сопровождаемого изменения массы и плотности установлены характеристики «дутика» при различных значениях огневой усадки (рис. 2). Для определения плотности и объема продуктов диссоциации учитывалось, что контракция в результате диссоциации карбонатов при обжиге соответствует огневой усадке, что связано с тем, что процессы диссоциации идут параллельно процессам спекания. Величина огневой усадки для изделий строительной керамики, изготовленных пластическим способом формования, находится в пределах 4-10 %. Расчеты по определению плотности и пористости карбонатного включения выполнены для трех величин огневой усадки: 5, 7 и 10 %. Как показали исследования, величина пористости продуктов диссоциации определяется видом исходного карбоната и величиной

огневой усадки. Минимальная пористость соответствует «дутику», состоящему из СаО, а максимальная - из MgO.

Изменение объемов в результате диссоциации карбонатов и спекания керамического черепка показано на рис. 3. Одинаковая масса исходных карбонатов и различная их плотность определяют различные объемы. Из рисунка видно, что наименьший объем занимает у которого наименьшая плотность. Если принять объем магнезита за 100 %, то объем доломита будет на 5,65 %, а кальцита - на 12 % больше. В карбонатном включении при обжиге объем, занимаемый оксидами при различных значениях огневой усадки, не меняется. Изменяется величина пористости.

За счет гидратации происходит увеличение объема, так называемая контракция. Значения контракции следующие:

СаО + ЩО -* Са(ОН)2 + Мц (ОН)2 - 105 Уо в 2,05 раз

Продукты гидратации заполняют, прежде всего, пустоты в самом «дути-ке», но оказывают расклинивающее воздействие на керамическую матрицу. Если керамическая матрица не разрушается при гидратации «дутика», то резерв пористости в гидратированном «дутике», заключенном в керамической обойме, после завершения процесса гидратации зависит от вида исходного карбоната и величины огневой усадки. Как следует из расчетных данных, приведенных на рис. 3, наибольшее количество свободных пор остается при гидратации Mg(OH)2, а наименьшее - при гидратации Са(ОН)2. Если величина усадки 10 %, то пор при гидратации Са(ОН)2 практически не остается. Различие величин резервной пористости у рассматриваемых карбонатов определяется условиями сравнения. Если сопоставлять одинаковые массы исходных карбонатов, то разница меньше, чем при сопоставлении карбонатов с одинаковым исходным объемом.

С учетом полученных данных уровень отрицательного воздействия различных карбонатов был определен по следующих показателям: величине контракции, резерву свободных пор после гидратации и активности оксидов. Установлено, что наибольшая величина контракции при гидратации MgO. Но, принимая во внимание тот факт, что резерв свободной пористости у карбонатного включения с гидратированным М^ОН)} выше, чем у Са(ОН)г (рис. 4), а активность MgO ниже активности СаО, наиболее сильное отрицательное воздействие из трех карбонатных минералов оказывает кальцит. Таким образом установлено, что интенсивность отрицательного воздействия у рассматриваемых карбонатов располагается в следующем ряду:

КАЛЬЦИТ > ДОЛОМИТ > МАГНЕЗИТ.

Проведенный анализ позволил выявить основные причины, определяющие интенсивность вредного воздействия карбонатных включений и предложить способы (табл. 1), снижающие это воздействие.

Таблица 1 - Способы снижения вредного воздействия карбонатных включений

№ п/п Причины, влияющие на интенсивность вредного воздействия карбонатных включений Способы снижения вредного воздействия карбонатных включений

1 Вид включений -

2 Вид и количество примесей на поверхности включений Введение добавок, снижающих содержание активных СаО и М£0 за счет взаимодействия с ними и образования твердых растворов, расплавов и соединений, не подвергающихся гидратации.

3 Величина огневой усадки Уменьшение пластичности сырьевых смесей. Уменьшение огневой усадки.

4 Прочность керамической матрицы Повышение прочности керамического черепка (керамической матрицы).

Вероятность разрушения возрастает при увеличении величины огневой усадки и уменьшении прочности керамического черепка (керамической матрицы). Если величине огневой усадки более 10 %, то вероятность разрушения от гидратации значительно возрастает.

При недостаточной прочности керамического черепка возможно разрушение изделий за счет гидратации «дутика» даже, если не вся его пористость заполнена продуктами гидратации. Чем выше прочность керамического черепка, тем выше вероятность сохранения керамической матрицы и размещения продуктов гидратации в объеме, занимаемом «дутиком».

Установлено, что на основе СаО возможно образование твердых растворов с оксидом железа. В качестве железосодержащей добавки могут быть использованы железосодержащие отходы: пиритные огарки, шлифовальный шлам.

Исследованы составы шихт на основе глинистого сырья Белебеевского месторождения с включениями известняка и пиритными огарками. Установлено, что добавка пиритных огарок в количестве 10-15 % обеспечивает образование на поверхности зерен извести оболочки из твердых растворов, которая способствует «капсулированию» извести и нейтрализации вредного влияния карбонатных включений.

Определена роль железосодержащего шлифовального шлама в нейтрализации карбонатных включений. Установлено, что наиболее технологичным способом является затворение керамических шихт шламовой суспензией.

В ходе определения технологических параметров применения шламовой суспензии: определена зависимость изменения плотности шламовых суспензий

от концентрации шлама; установлена зависимость изменения рН суспензий от концентрации шлама; установлено, что устойчивость суспензий меняется от концентрации шлама. По устойчивости шламовых суспензий выделены три группы составов. Наибольшей устойчивостью обладают составы с 60-100 % шлама. Установлены технологические параметры обработки карбонатных зерен суспензией шлифовального шлама, в ходе которой на поверхности зерен образуется слой, обогащенный железосодержащими компонентами.

Глава 7

Промышленные испытания разработанных оптимальных составов были проведены на двух предприятиях Башкортостана: на Белебеевском кирпичном заводе ООО «Керамика» фирмы «Keller» и Уфимском комбинате строительных материалов.

На Белебеевском кирпичном заводе были проведены заводские проверки разработанных составов сырьевых шихт, предназначенных для устранения вредного воздействия карбонатных включений.

Марка керамического кирпича изменяется в пределах от КР/75/1900/15 -ГОСТ 530-95 до КР 125/1950/15 - ГОСТ 530-95.

Проведенные испытания показали, что шихта, содержащая 85 % глины Белебеевского месторождения и 15 % пиритных огарок, обеспечивает получение керамического кирпича марки КР 125/1950/15 - ГОСТ 530-95 без характерных дефектов - «дутиков». Добавка пиритных огарок обеспечивает образование на поверхности зерен извести оболочки из твердых растворов, которая способствует капсулированию извести и нейтрализации вредного влияния карбонатных включений.

На Уфимском комбинате строительных материалов были проведены заводские проверки разработанных составов сырьевых шихт, предназначенных для устранения свиливатости. Керамический кирпич, изготовленный на основе отощителя оптимального гранулометрического состава не имеет такого дефекта как свиливатость. За счет оптимизации гранулометрического состава отощите-ля устраняется свиливатость и повышается марка керамического кирпича по прочности и морозостойкости.

Глава 8

Анализ экономической эффективности внедрения в производство основных практических рекомендаций, вытекающих из работы, выполнен в соответствии с современной теорией, ориентированной на унификацию методов оценки эффективности инвестиционных проектов в условиях перехода экономики России к рыночным отношениям, с целью определения ценности предлагаемых решений в производстве.

Всесторонность анализа обеспечена использованием для оценки наиболее полной системы показателей (экономического, коммерческого, организационного, социального, экологического, технического).

Для стоимостной оценки результатов и затрат использованы базисные цены в рублях, сложившиеся на IV квартал 2003 г. в целом по Республике Башкортостан по предприятию, где выполнено внедрение. Оценка экономических эффек-

тов была выполнена без дисконтирования, так как были сопоставлены одновременные показатели. Экономический эффект достигается за счет повышения марки керамического кирпича.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены составы и способы, позволяющие устранить следующие дефекты керамического кирпича из мергелистых глин: «дутики», свиливатость, сушильные трещины.

2. Для обоснования актуальности работы выполнен анализ стандартной оценки кирпично-черепичных глин Республики Башкортостан, который выявил, что Республика располагает значительными запасами кирпично-черепичного сырья. Установлено, что доля кондиционного сырья незначительна, большое количество месторождений содержат карбонатные включения. Выполнен прогноз качества керамических материалов.

3. Выполнена расчетная оценки кирпично-черепичного сырья Республики Башкортостан с помощью программного комплекса, которая показала следующее: наличие крупнозернистых карбонатных включений не могут обеспечить производство керамических изделий стабильного качества; после тщательной переработки сырье около 50 % месторождений может иметь оптимальные технологические параметры для производства спекшихся керамических материалов низких марок и около 50 % месторождений без корректировки состава не может обеспечить производство качественного керамического кирпича.

4. Выполнено обоснование влияния строения и размера глинистых частиц и зерен отощителя на структуру изделий, сформованных пластическим способом. Доказано, что анизотропная структура, характерная при образования сви-ля, определяется гранулометрическим составом отощителя. Определено, что основной способ устранения этого дефекта - оптимизация гранулометрического состава отощителя.

5. Разработаны составы на основе глины Белебеевского месторождения, являющейся характерным представителем кирпично-черепичного сырья с карбонатными включениями, и песка Кабановского месторождений, обеспечивающие устранение свиливатости.

6. Доказана эффективность применение нефтешлама — нефтеизвестковой эмульсосуспензии полной заводской готовности в качестве влагоизолирующего состава в технологии производства керамических материалов, в частности, для обработки свежеотформованного бруса при производстве керамического кирпича.

7. Установлено, что кратковременная ультразвуковая обработка свежеот-формованных образцов, покрытых нефтеизвестковой эмульсосуспензии полной заводской готовности, способствует повышению влагозадерживащей способности и улучшению сушильных свойств.

8. Доказана эффективность предварительной ультразвуковой обработки нефтешлама на повышение однородности и стабильности влагоизолирующего состава и его влагоизолирующую способность. Этот способ способствует снижению энерго- и трудозатрат на приготовление влагоизолирующего состава, а также открывает возможность использования «лежалого» шлама.

9. Обосновано влияние вида карбонатных включений на интенсивность «дутикообразования» с позиций контракции продуктов гидратации. Установлено, что интенсивность отрицательного воздействия карбонатов располагается в следующем ряду: кальцит > доломит > магнезит. Вероятность разрушения возрастает при увеличении величины огневой усадки и уменьшении прочности керамического черепка (керамической матрицы). Если величине огневой усадки более 10 %, то вероятность разрушения от гидратации значительно возрастает. Выявлены основные причины, определяющие интенсивность вредного воздействия карбонатных включений и предложены способы, снижающие это воздействие.

10. К числу перспективных способов нейтрализации вредного влияния карбонатных включений относится способ «капсулирования» извести оболочками из твердых растворов. Установлено, что на основе СаО при кратковременном обжиге наиболее вероятным является образование твердых растворов с оксидом железа.

11. В ходе исследований установлено, что образование твердых растворов в системе СаО - FeO возможно на поверхности обожженных карбонатных зерен в керамической шихте, содержащей железосодержащие добавки. В качестве железосодержащей добавки могут быть использованы железосодержащие отходы: пиритные огарки, шлифовальный шлам. «Капсулирование» извести и нейтрализация вредного влияния карбонатных включений достигаются при корректировке мергелистых глин 10-15 % пиритных огарок, при обработке карбонатных зерен суспензией из шлифовального шлама, а также при затворении керамической шихты суспензией шлифовального шлама.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Чумаченко Н.Г., Кузьмин В.В. Предварительная оценка кирпично-черепичных глин Башкирии // Материалы III международной НПК при III Международной специализированной выставке "Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство - 99": "Проблемы строительного комплекса России". -Уфа, 1999.ТомГ- С. 112.

2. Кузьмин В.В. Использование нефтешлама в качестве влагоизолирующего состава // Тезисы докладов 19-й межвузовской студенческой научно-технической конференции по итогам научно-исследовательской работы в 1999 году / СамГАСА. - Самара, 2000. - С. 15-16.

3. Чумаченко Н.Г., Кузьмин В.В. Оценка сырьевой базы Белебеевского кирпичного завода Башкирии // Труды секции «Строительство» Российской инженерной академии: Новое в инвестиционных процессах и технологиях строительного производства.-М., 2001.-Вып. 2, часть 1.-С. 113-120.

4. Кузьмин В.В. Причины низкого качества керамического кирпича, выпускаемого на Белебеевском кирпичном заводе // Материалы Всероссийской XXXI научно-технической конференции: Актуальные проблемы современного строи-

тельства. Часть 1. Строительные материалы и изделия. Экология, инженерные системы, сооружения и технологии. - Пенза, 2001. - С. 42.

5. Кузьмин В.В. Оценка кирпично-черепичных глин Башкирии // Тез. докл. обл. 58 НТК: Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды. - Самара, 2001. - С. 85-86.

6. Кузьмин В.В. Перспективы развития строительной керамики в Башкирии // Академические чтения РААСН "Современные проблемы строительного материаловедения": Материалы III Международной научно-практической конференции-школы-семинара молодых ученых, аспирантов и докторантов. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2001. -Ч. 1. - С. 211-214.

7. Подана заявка на изобретение, МКИ С 04 В 33/30. Способ обработки вла-гоизолирующим составом / Н.Г. Чумаченко, Т.В. Шеина, В.В. Кузьмин.

8. Кузьмин В.В. Перспективы развития керамической промышленности в Башкирии // Аспирантский вестник Самарской губернии. - Самара, 2001, № 2. -С. 59-61.

9. Кузьмин В.В. Железосодержащие отходы - эффективные корректирующие добавки для мергелистых глин // Экология и здоровье человека: Труды VII Всероссийского конгресса. - Самара, 2001. - С. 99-100.

10. Кузьмин В.В. Роль шлифовального шлама в нейтрализации карбонатных включений в керамических шихтах // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика: Материалы региональной 59-й научно-технической конференции: Часть 2. - Самара: СамГАСА, 2002. - С. 240 -242.

11. Чумаченко Н.Г., Кузьмин В.В. К вопросу о «капсулировании» карбонатных зерен суспензией шлифовального шлама // Актуальные проблемы экологии человека: Труды VIII Всероссийского конгресса серии "Экология и здоровье человека". - Самара, 2002. - С. 258-260.

12. Чумаченко Н.Г., Кузьмин В.В. К вопросу об улучшении сушильных свойств керамического кирпича // Труды секции "Строительство" Российской инженерной академии: Прогрессивные технологические и инвестиционные процессы в строительстве. Выпуск 4. Часть 2. - Издательство Российской инженерной академии. - М., 2003 - С. 33-40.

13. Кузьмин В.В. Влияние карбонатных примесей и включений в глинистом сырье на технологические параметры производства и качество керамической продукции // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика: Материалы региональной 60-й научно-технической конференции: Часть I. - Самара: СамГАСА, 2003. - С. 134-137.

14. Чумаченко Н.Г., Кузьмин В.В. Эффективность применения нефтешлама в качестве влагоизолирующего состава. // Труды II Всероссийской научно-практической конференции «Процессы, технологии и оборудование для переработки отходов и вторичного сырья. Полигоны по захоронению отходов», (2-4 декабря 2003 г.) - Самара, 2003. - С. 139-142.

Соискатель В.В. Кузьмин

»11126

ВВЕДЕНИЕ

1. Состояние вопроса, рабочая гипотеза и задачи исследования

1.1. Зарубежный и отечественный уровень развития кирпичной 10 промышленности

1.2. Исследования по улучшению сушильных свойств

1.2.1. Основные сведения о процессе сушки

1.2.2. Дефекты изделий, возникающие при сушке, и способы их 13 устранения

1.3. Исследования по устранению вредного влияния карбонатных 20 включений

1.3.1. Влияние вида, активности, дисперсности и количества 20 карбонатных включений на «дутикообразование»

1.3.2. Способы обезвреживания карбонатных включений

1.4. Использование гальваношлама в производстве керамического 38 кирпича

1.5. Рабочая гипотеза и задачи исследования

2. Характеристика кирпично-черепичных глин Башкирии

2.1. Расположение и запасы кирпично-черепичного сырья Башкирии

2.2. Качество кирпично-черепичного сырья Башкирии

2.3. Качество кирпично-черепичной продукции из сырья Башкирии

2.4. Белебеевский кирпичный завод: сырьевая база, технология, 47 качество готовой продукции

2.4.1. Общие сведения

2.4.2. Сырьевая база

2.4.3. Особенности технологии

2.4.4. Номенклатура выпускаемой продукции

2.4.5. Дефекты керамического кирпича

2.4.6. Анализ качества сырья и готовой продукции

2.5. Выводы по главе

3. Методика исследования и характеристика исходных материалов

3.1. Методики, используемые в работе

3.1.1. Стандартные методики

3.1.2. Нестандартный метод расчета количества и состава 56 расплава, образующегося в керамических массах при обжиге

3.2. Применение вероятностно-статистических методов 61 исследований

3.3. Характеристика используемого в экспериментах сырья

4. Применение метода расчета количества и состава расплава, 73 образующегося в керамических массах при обжиге, для оценки кирпично-черепичных глин Башкирии

4.1. Расчетная оценка характерного кирпично-черепичного 73 глинистого сырья Башкирии

4.2. Расчетная оценка глинистого сырья Белебеевского 75 месторождения

4.3. Выводы по главе

5. Улучшение сушильных свойств керамического кирпича

5.1. Устранение свиливатости

5.1.1. Разработка моделей структуры шихт с изменением 81 гранулометрического состава отощающей добавки

5.1.2. Исследования по влиянию гранулометрического состава 86 отощающих добавок на свиливатость

5.2. Исследования по улучшению сушильных свойств обработкой 91 свежеотформованных изделий влагоизолирующими составами

5.2.1. Исследования по использованию нефтешлама в качестве 91 влагоизолирующего состава

5.2.2. Исследования по использованию нефтешлама с 97 ультразвуковой обработкой свежеотформованных изделий

5.2.3. Исследования по использованию нефтешлама, 99 предварительно обработанного ультразвуком

5.3. Выводы по главе

6. Исследования по устранению вредного влияния карбонатных 107 включений

6.1. Влияние вида карбонатных включений на интенсивность 107 дутикообразования

6.2. Твердые растворы и их роль в нейтрализации вредного влияния 113 карбонатных включений

6.3. Улучшение качества кирпича за счет «капсулирования» СаО 118 оболочкой из твердых растворов

6.4. Роль шлифовального шлама в нейтрализации карбонатных 123 включений в керамических шихтах

6.4.1. Исследование свойств шламовых суспензий

6.4.2. Исследование свойств карбонатных зерен, обработанных 130 шламовой суспензией

6.4.3. Определение оптимального состава керамической шихты 138 на основе мергелистых глин и шлифовального шлама

6.5. Исследования по повышению прочности керамического кирпича

6.6. Выводы по главе

7. Промышленная апробация разработанных составов и способов

7.1. Условия проведения

7.2. Результаты апробации

7.3. Выводы по главе

8. Экономическая эффективность внедрения в производство разработанных составов ОБЩИЕ ВЫВОДЫ СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

Производство изделий строительной керамики переживает в настоящее время второе рождение. Этому способствовал ряд объективных факторов: доступность сырьевой базы; возможность получения широкого ассортимента изделий - от стеновых материалов, плиток для полов и облицовки стен, кровельных изделий до сантехнических и изделий специального назначения; низкий радиационный фон; архитектурная выразительность зданий, возводимых с применением керамических материалов.

Наблюдается тенденция не только увеличения мощности предприятий строительной керамики, но и выпуска на одном предприятии различных по назначению изделий. Однако, несмотря на интенсивное развитие этих производств, промышленность еще не полностью удовлетворяет потребность строительства в таких изделиях. Ряд зарубежных фирм помогают решить эту проблему за счет поставок полностью автоматизированных технологических линий.

Среди изделий строительной керамики керамическому кирпичу отводится ведущая роль в настоящее время и на ближайшую перспективу. Кирпичная стена отвечает самым высоким требованиям комфортности и износостойкости, аккумулирует тепло, благоприятно воздействует на климат жилища. Возрастающая потребность в большом многообразии экологически чистых, качест- -венных керамических изделий вызывает необходимость изменения традиционных составов и технологий.

Налаженное производство керамического кирпича, особенно на новых современных технологических линиях, не вызывает существенных проблем при изготовлении рядового керамического кирпича марок 100-150. Тщательная переработка сырья и большая доля автоматизации процессов гарантируют стабильное качество продукции. На таком оборудовании, при отлаженной технологии, можно выпускать кирпич без традиционных дефектов: сколы углов, коробление. Однако даже самое современное оборудование не гарантирует выпуск лицевой керамики без таких дефектов как «дутики» (карбонатные включения), сушильные трещины и свиливатость. Наличие карбонатных включений не только ухудшает декоративные свойства лицевой керамики, но и, аналогично влиянию сушильных трещин, снижает морозостойкость изделий, т.е. их долговечность. Характерным регионом, где при производстве керамического кирпича из легкоплавких глин и суглинков наблюдаются перечисленные дефекты, является Башкирия.

Известные технологические решения в настоящее время не решают проблему повышения качества керамического кирпича из мергелистых глин. Разработка ее актуальна и позволит повысить кондиционность кирпично-черепичного сырья из мергелистых глин и качество керамического кирпича, устранив такие дефекты как свиливатость, сушильные трещины, «дутики». Очевидно, изучив основные причины, которые вызывают образование перечисленных дефектов, можно разработать оптимальные структуры и составы, обеспечивающие получение качественного керамического кирпича.

Цель настоящей работы - разработка составов и способов производства керамического кирпича на основе мергелистых глин, обеспечивающих устранение таких дефектов как «дутики», свиливатость, сушильные трещины. Задачи исследования:

1. Анализ причин образования таких дефектов керамического кирпича как свиливатость и «дутики», а также низкой прочности.

2. Обоснование оптимальной структуры формовочных масс, включающих глинистые компоненты и отощители, с целью устранения свиливатости.

3. Обоснование оптимального влагоизолирующего состава для улучшения сушильных свойств керамического кирпича.

4. Выбор вида добавки к глинистому сырью с карбонатными включениями, обеспечивающей образование на поверхности СаО оболочки из твердых растворов.

5. Разработка составов керамических шихт, устраняющих свиливатость.

6. Разработка составов керамических шихт, нейтрализующих вредное влияние карбонатных включений.

7. Разработка составов керамических шихт, обеспечивающих повышение прочности.

8. Проверка оптимальных составов в производственных условиях.

Научная новизна работы.

Научная новизна заключается в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении составов и способов, позволяющих устранить такие дефекты керамического кирпича как «дутики», свиливатость, сушильные трещины.

При этом:

1. Определены причины образования таких дефектов керамического кирпича на основе мергелистых глин как свиливатость и «дутики», а также низкой прочности.

2. Обосновано влияние вида карбонатных включений на интенсивность «ду-тикообразования» с позиций контракции продуктов гидратации.

3. Разработаны оптимальные модели структуры керамических шихт, обеспечивающих устранение свиливатости.

4. Впервые обоснована эффективность применения нефтешлама (нефтеиз-вестковой эмульсосуспензии полной заводской готовности) в качестве влагоизолирующего состава для обработки свежеотформованного бруса при производстве керамического кирпича с целью улучшения сушильных свойств.

5. Определена роль железосодержащих добавок к мергелистым глинам для нейтрализации карбонатных включений.

6. Разработаны составы, устраняющие свиливатость, нейтрализующие вредное влияние карбонатных включений, повышающие прочность керамического кирпича.

• Достоверность полученных результатов.

Обоснование составов керамических шихт на основе мергелистых глин, обеспечивающих устранение таких дефектов керамического кирпича как «ду-тики» и свиливатость, выполнено с позиций современных представлений фундаментальных наук.

Достоверность исследований обеспечена:

- количеством образцов - близнецов в партии, обеспечивающим при фактической статистической изменчивости значения исследуемых характеристик с доверительной вероятностью 0,95-0,97, при погрешности 5-10 %;

- применением математических методов планирования экспериментов и статистической обработкой результатов;

- сходимостью полученных эксплуатационных данных с результатами других исследователей;

- использованием аттестованного лабораторного оборудования;

- использованием комплекса современных физико-химических методов: химического, рентгенографического, дифференциально-термического, петрографического и электронно-микроскопического;

- проверкой результатов лабораторных исследований в производственных условиях.

Основные результаты внедрены в учебный процесс.

• Практическая значимость работы.

Выполненная работа имеет большое практическое значение для:

• прогнозирования качества керамических материалов из кирпично-черепичных глин Башкирии;

• повышения кондиционности кирпично-черепичного сырья из мергелистых глин;

• повышения качества керамического кирпича и устранения таких дефектов как свиливатость, сушильные трещины, «дутики».

Реализация результатов исследований.

Разработанные составы прошли производственную проверку на Белебе-евском кирпичном заводе и Уфимском комбинате строительных материалов.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленной апробации используются в учебном процессе СГАСУ при подготовке инженеров по специальности 290600 при чтении лекций и выполнении курсовых работ по дисциплине «Керамические и плавленые материалы», а также при чтении лекции по дисциплине «Совершенствование технологии производства строительных материалов» при подготовке магистров; при выполнении дипломных проектов. Отдельные разработанные положения включены в учебное пособие «Разработка составов сырьевых шихт для производства керамических материалов».

Результаты работы также рекомендуется использовать: - кирпичным заводам для устранения таких дефектов как свиливатость, сушильные трещины, «дутики», а также для повышения марки керамического кирпича по прочности;

- при организации новых кирпичных заводов;

- геологическим службам по природным ресурсам для разработки рекомендаций по использованию разведанных месторождений глинистого сырья;

- промышленным предприятиям для выбора направлений использования промышленных минеральных отходов.

На защиту выносятся:

1. Результаты оценки качества кирпично-черепичных глин Башкирии и керамического кирпича из этих глин.

2. Обоснование причин, вызывающих образование такого дефекта как свиливатость.

3. Обоснование влияния вида карбонатных включений на интенсивность «дутикообразования» с позиций контракции продуктов гидратации.

4. Оптимальные модели структуры керамических шихт, обеспечивающей устранение свиливатости.

5. Способ обработки свежеотформованного бруса при производстве керамического кирпича с целью улучшения сушильных свойств влагоизолирую-щим составом, в качестве которого используется нефтешлам - нефтеизвестко вая эмульсосуспензия полной заводской готовности.

6. Определении роли железосодержащих добавок к мергелистым глинам для нейтрализации карбонатных включений.

7. Зависимости изменения свойств суспензий на основе железосодержащего шлифовального шлама, применяемого для нейтрализации карбонатных, включений.

8. Составы керамических шихт, устраняющие свиливатость, нейтрализующие вредное влияние карбонатных включений, повышающие прочность керамического кирпича.

9. Результаты производственной апробации.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на международных, всесоюзных, республиканских и> межотраслевых конференциях: III международной НТК при III Международной специализированной выставке "Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство - 99": Проблемы строительного комплекса России" (Уфа, 1999); Всероссийской XXXI науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы современного строительства" (Пенза, 2001); Региональных 58-60 НТК СамГАСА "Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды" и "Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика." (Самара, 2001, 2002, 2003); III Международной НПК молодых ученых, аспирантов и докторантов памяти В.Г. Шухова "Современные проблемы строительного материаловедения" (Белгород, 2001); VII Всероссийском конгрессе "Экология и здоровье человека" (Самара, 2001); VIII Всероссийском конгрессе "Актуальные проблемы экологии человека" (Самара, 2002); II Всероссийской научно-практической конференции "Процессы, технологии и оборудование для переработки отходов и вторичного сырья. Полигоны по захоронению отходов" (Самара, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ. Подано две заявки на изобретение.

Автор выражает искреннюю благодарность всему коллективу кафедры «Строительные материалы» Самарского государственного архитектурно-строительного университета за помощь в процессе выполнения диссертации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены составы и способы, позволяющие устранить следующие дефекты керамического кирпича из мергелистых глин: «дутики», свиливатость, сушильные трещины.

2. Для обоснования актуальности работы выполнен анализ стандартной оценки кирпично-черепичных глин Республики Башкортостан, который выявил, что Республика располагает значительными запасами кирпично-черепичного сырья. Установлено, что доля кондиционного сырья незначительна, большое количество месторождений содержат карбонатные включения. Выполнен прогноз качества керамических материалов.

3. Выполнена расчетная оценки кирпично-черепичного сырья Республики Башкортостан с помощью программного комплекса, которая показала следующее: наличие крупнозернистых карбонатных включений не могут обеспечить производство керамических изделий стабильного качества; после тщательной переработки сырье около 50 % месторождений может иметь оптимальные технологические параметры для производства спекшихся керамических материалов низких марок и около 50 % месторождений без корректировки состава не может обеспечить производство качественного керамического кирпича.

4. Выполнено обоснование влияния строения и размера глинистых частиц и зерен отощителя на структуру изделий, сформованных пластическим способом. Доказано, что анизотропная структура, характерная при образования свиля, определяется гранулометрическим составом отощителя. Определено, что основной способ устранения этого дефекта - оптимизация гранулометрического состава отощителя.

5. Разработаны составы на основе глины Белебеевского месторождения, - являющейся характерным представителем кирпично-черепичного сырья с карбонатными включениями, и песка Кабановского месторождений, обеспечивающие устранение свиливатости.

6. Доказана эффективность применение нефтешлама — нефтеизвестковой эмульсосуспензии полной заводской готовности в качестве влагоизолирующего состава в технологии производства керамических материалов, в частности, для обработки свежеотформованного бруса при производстве керамического кирпича.

7. Установлено, что кратковременная ультразвуковая обработка свежеотформованных образцов, покрытых нефтеизвестковой эмульсосуспензии полной заводской готовности, способствует повышению влагозадерживащей способности и улучшению сушильных свойств.

8. Доказана эффективность предварительной ультразвуковой обработки нефтешлама на повышение однородности и стабильности влагоизолирующего состава и его влагоизолирующую способность. Этот способ способствует снижению энерго- и трудозатрат на приготовление влагоизолирующего состава, а также открывает возможность использования «лежалого» шлама.

9. Обосновано влияние вида карбонатных включений на интенсивность «дутикообразования» с позиций контракции продуктов гидратации. Установлено, что интенсивность отрицательного воздействия карбонатов располагается в следующем ряду: кальцит > доломит > магнезит. Вероятность разрушения возрастает при увеличении величины огневой усадки и уменьшении прочности керамического черепка (керамической матрицы). Если величине огневой усадки более 10 %, то вероятность разрушения от гидратации значительно возрастает. Выявлены основные причины, определяющие интенсивность вредного воздействия карбонатных включений и предложены способы, снижающие это воздействие.

10. К числу перспективных способов нейтрализации вредного влияния карбонатных включений относится способ «капсулирования» извести оболочками из твердых растворов. Установлено, что на основе СаО при кратковременном обжиге наиболее вероятным является образование твердых растворов с оксидом железа.

11. В ходе исследований установлено, что образование твердых растворов в системе СаО - ИеО возможно на поверхности обожженных карбонатных зерен в керамической шихте, содержащей железосодержащие добавки. В качестве железосодержащей добавки могут быть использованы железосодержащие отходы: пиритные огарки, шлифовальный шлам. «Капсулирование» извести и нейтрализация вредного влияния карбонатных включений достигаются при корректировке мергелистых глин 10-15 % пиритных огарок, при обработке карбонатных зерен суспензией из шлифовального шлама, а также при затворении керамической шихты суспензией шлифовального шлама.

1. Binns and Coats. Trans. Amer. Cer. Soc, v. XIV, 1920.

2. Cramer E. Tonindustrie Ztg. Bd. 30, № 63, 1906, S. 972.

3. Erdey L., Paulik I., Svehla G., Liptay G. Zeitun. Analyt. Chem., 182, 329, 1961.

4. Laird R.T. and Worcester. Trans. British Cer. Sos., v. 55, № 8, 1956.

5. Loebe B. Die Unschädlichmachung von Kalk im Ton. Berlin, 1913.

6. Mann W., Schneider H.S., Eichler W. // Ziegelindustri. ФРГ. 1977. № 3. С. 2729.

7. Paulik F., Paulik I. Termoanalizis. Budapest, 1963.

8. Shamshurov V.M., Barbanyagre V.D., Timoshenko T.I. X-Ray Powder Diffraction Researrh of the Burnt Natural Dolomite. // X-Ray Powder Diffraction Analysis of Real Structure of Matter. Liptovsky Mikulas Slovakia, 1995.- P. 74-75.

9. Sharengrad. Tonindustrie. Ztg. Bd. 31, № 60, 1907. S. 722.

10. Sheffield C.W. Treatment of Heavy Metals at Small Electroplating Plants // Proc. 36th Purdue Industrial Waste Conf. 1981. 36. P. 485-492.

11. A.c. № 1028638 (СССР), М.Кл.: С 04 В 33/08. Способ изготовления керамических изделий / С.С. Брель, Ф.А. Пунтус, М.З. Лопотко. Опубл. 15.07.83 г. - Бюл. № 26, 1983 // Открытия. Изобретения.

12. A.c. № 1217850 (СССР), М.Кл.4: С 04 В 33/00. Сырьевая смесь для производства стеновой керамики / В.Ф. Завадский и Г.И. Стороженко -Опубл.29.10.84. 1994 //Открытия. Изобретения.

13. A.c. № 1231036 (СССР), М.Кл.4: С 04 В 33/00. Способ изготовления пористых керамических изделий / А.П. Капустин, Л.Ф. Калмыкова и др. -Опубл. 19.07.84. 1984 // Открытия. Изобретения.

14. A.c. № 1583389 (СССР), М.Кл.5: С 04 В 33/04. Способ обогащения глинистого сырья / Т.В. Шевчук, И.М. Крип и др. Опубл. 7.08.90. - Бюл.№ 29, 1990 // Открытия. Изобретения.

15. A.c. № 1645260 (СССР), М.Кл.5: С 04 В 33/00. Сырьевая смесь для стеновых керамических изделий / А.П. Капустин, Л.Ф. Калмыкова и др. -Опубл. 30.04.94. Бюл.№ 16, 1994 // Открытия. Изобретения.

16. A.c. № 1655947 (СССР), М.Кл.5: С 04 В 33/00. Сырьевая смесь для получения кирпича / A.C. Сатаев, А.Н. Шарапов и др. Опубл. 15.06.91. -Бюл. №22, 1991 // Открытия. Изобретения.

17. A.c. № 1682349 (СССР), М.Кл.5: С 04 В 33/00, 33/08. Сырьевая смесь для изготовления керамических изделий / В.Ю. Мелешко, Н.М. Наков и др. -Опубл. 07.010.91. Бюл. № 37, 1991 // Открытия. Изобретения.

18. A.c. № 1705262 (СССР), МКл5: С 04 В 28/26, С 04 В 33/02. Состав для орошения ложковых и тычковых граней кирпича-сырца / В.В. Герасимов, Н.С. Громаков, В.А. Ефимова, E.H. Павлов. Опубл. 15.1.92. - Бюл.№ 2, 1992 // Открытия. Изобретения.

19. A.c. № 1715767 (СССР), М.Кл.5: С 04 В 33/00. Способ изготовления строи22. тельных изделий / Е.Т. Букебаев и др. Опубл. 29.02.92. - Бюл. №8, 1992 // Открытия. Изобретения.

20. A.c. № 1742264 (СССР), М.Кл.5: С 04 В 33/00. Сырьевая смесь для изго23. товления глиняного кирпича / Ф.П. Туренко и др. Опубл. 23.06.92. -Бюл. № 23, 1992 // Открытия. Изобретения.

21. A.c. № 783280 (СССР), М.Кл.: С 04 В 33/00. Шихта для изготовления керамических строительных изделий / В.И. Герасимов, Т.П. Федорова, С.М. Никольская и Л.И. Иванова. Опубл. 30.11.80. - Бюл. № 44, 1980 // Открытия. Изобретения.

22. A.c. № 887533 (СССР), М.Кл.: С 04 В 33/00. Состав для изготовления ке-27- рамических стеновых изделий / JI.B. Воропаева, П.А. Иващенко, Л.С. На-батова и В.П. Варламов. Опубл. 07.12.81. - Бюл. № 45, 1981 // Открытия. Изобретения.

23. Альперович И.А., Коровин П.С. Химический метод обезвреживания карбонатных включений в производстве кирпича // Экспресс-информация ВНИИЭСМ. Серия «Промышленность керамических стеновых материалов и пористых заполнителей». 1985, вып.8.

24. Арбузова Т.Б. Строительные материалы на основе шламовых отходов: Учебное пособие. СамГАСА, Самара, 1996. - 38 с.

25. Арбузова Т.Б., Шабанов В.А., Коренькова С.Ф., Чумаченко Н.Г. Стройматериалы из промышленных отходов. Самара: Изд-во "Самарский дом печати", 1993.-96 с.

26. Ашмарин Г.Д. Восемнадцатый общеевропейский конгресс производителей керамического кирпича и черепицы // Строительные материалы. -1996.-№7.-С. 24-27.

27. Бабков В.В., Комохов П.Г., Мирсаев Р.Н., Чуйкин А.Е. и др. Объемные изменения в реакциях гидратации и перекристаллизации минеральных вяжущих веществ // Цемент и его применение. 1998. - № 4. - С. 16-19.

28. Байер В.Е., Хигерович М.И. Производство глиняного кирпича. М., 1984.-С.31-33.

29. Барбанягрэ В.Д., Шамшуров В.М. Влияние легирующих добавок на степень спекания и активность оксида кальция // Техногенные продукты и совершенствование технологии вяжущих. М., 1983. - С. 138-144.

30. Барбанягрэ В.Д., Шамшуров В.М. Влияние некоторых добавок на параметр кристаллической решетки оксида кальция // Совершенствование химической технологии строительных материалов. М., 1981. - С. 62-71.

31. Барбанягрэ В.Д., Шамшуров В.М., Тимошенко Т.Н. Изовалентный изоморфизм в оксидах Ca и Mg в модельных и природных системах // Материалы XIII Международного совещания по рентгенографии минерального сырья. Белгород, 1995. - С.79.

32. Барбанягрэ В.Д., Шамшуров В.М., Тимошенко Т.Н. Особенности изоморфизма в некоторых оксидах элементов второй группы ПС Д.И. Менделеева // Тезисы докл. VI Всесоюзного симпозиума по изоморфизму. Звенигород, 1988.-М.-С. 14.

33. Бежиков И.Е., Якимов Д.Т. Применение хлористых солей при агломерации глинистых пород // Труды ВНИИЭСМ. 1971, Вып. 1.

34. Берг Л.Г. Введение в термографию. М.: Наука, 1969. - 395 с.

35. Блюмен Л.М. Применение поваренной соли для обезвреживания известковых включений при производстве глиняного кирпича // Информационное сообщение МПСМ РСФР, 1952.

36. Булавин И.А., Гончар П.Д. Краткий справочник по производству кирпича и черепицы. Росгизместпром, 1954.

37. Вахрушев Г.В. Геологический очерк месторождений стекольных песков и огнеупорных глин в районе Красноусольского завода Башкирской АССР.

38. Вахрушев Г.В. О Месягутовских глинах, песках и галечниках. Изд-во Госплана БАССР, 1927.

39. Волков Л.С., Гаврилов М.И., Кучерова Э.А. // В кн.: Очистка производственных сточных вод и утилизация осадков машиностроительных предприятий.-М.: Знание, 1988. С. 139-140.

40. Волконский Б.В., Коновалов П.Ф., Макашев С.Д. Минерализаторы в цементной промышленности / Под ред. H.A. Торопова. М.: Стройиздат, 1964.- 200 с.

41. Воробьев Х.С., Мазуров Д.Я., Соколов JI.A. Теплотехнические процессы и аппараты силикатных производств.- М; Высшая школа, 1965. 773 с.

42. Гехт С.И. Сборник трудов РОСНИИМС, 1954, № 8.

43. Глинина J1.A., Миронов B.C., Тумашев В.Ф., Шапкин E.H. // Технология физико-химической очистки промышленных сточных вод. Аналитический контроль и регулирование процессов очистки: Тр. ин-та ВОДГЕО. -М.: ВОДГЕО, 1985. С. 36-38.

44. Гончарик В.Н. Автоматизация технологических процессов производства керамического кирпича // Строительные материалы. 1987, - № 4.

45. Горшков B.C. Термография строительных материалов. — М.: Стройиздат, 1968.-258 с.

46. ГОСТ 21216.10-93. Сырье глинистое. Метод определения минерального состава.

47. ГОСТ 21216.11-93. Сырье глинистое. Метод определения огнеупорности легкоплавких глин.

48. ГОСТ 21216.1-93. Сырье глинистое. Метод определения

49. ГОСТ 21216.2-93. Сырье глинистое. Метод определения55. фракций.

50. ГОСТ 21216.3-93. Сырье глинистое. Метод определения56. оксида кремния. ГОСТ 21216.4-93. Сырье глинистое. Метод определения включений.

51. ГОСТ 21216.6-93. Сырье глинистое. Метод определения58. в водной вытяжке. ГОСТ 21216.7-93. Сырье глинистое. Метод определения59. водной вытяжке. ГОСТ 21216.8-93. Сырье глинистое. Метод определения60. водной вытяжке.

52. ГОСТ 530-95. Кирпич и камни керамические. Технические условия.

53. ГОСТ 8735-75. Песок для строительных работ. Методы испытаний.

54. ГОСТ 8736-93. Песок для строительных работ. Технические условия. ГОСТ 9169-75. Сырье глинистое для керамической промышленности.64. Классификация.

55. ГОСТ 9179-77. Известь строительная. Технические условия.

56. Гриценко Г.С., Звягин В.В. и др. Методы электронной микроскопии минералов. М.: Наука. 1969. -290 с.

57. Диаграммы состояния силикатных систем: Справочник. Вып. 3. Тройные системы / H.A. Торопов, В.П. Барзаковский, В.В. Лапин и др. Л.: Наука, Ленинград, отд., 1972. - 488 с.

58. Диаграммы состояния силикатных систем: Справочник. Вып.1. Двойные системы / H.A. Торопов, В.П. Барзаковский и др. Ленинград: Наука, Ленинград. отд., 1970. - С. 257-260.

59. Дыгало М.И. Труды ЦНИИСМ. Вып. IV, 1947.пластичности, тонкодисперсныхсвободного дикрупнозернистыхкальция и магнияхлор-ионов всульфат-ионов в70.